采用HyprXtrud专业铝型材挤压成型有限元软件系统，以多边型空心铝型材为研究对象，对其稳态挤压成型过程进行数值模拟，计算结果发现初始模具结构中金属材料流速严重不均匀。通过增设导流槽、合理布置分流孔和调整工作带长度等措施，获得了较为理想的模具结构，同时提高了模具的寿命。
挤压成型是对挤压筒内的金属坯料施加外力，使之克服模具的摩擦阻力与金属的变形抗力，从特定的模孔中流出，获得所需断面形状、尺寸及性能加工制品的一种塑性加工方法。一般来说，要获得一副结构理想的模具，在挤压条件已经确定的情况下，一是要使模具结构具有足够强度。因铝型材挤压是处在高温、高压及复杂摩擦阻力等加工条件下成型，模具可能发生塑性变形而损坏；二是要合理设计模孔工作带，使型材出口的金属流动速度基本均匀，若模孔工作带设计不当，型材各部分流出模孔的速度就不均匀，挤压出的制品就会产生扭拧、弯曲、平面间隙大等缺陷，严重影响制品的质量。以多边型空心铝型材为研究对象，采用HyprXtrud专业铝型材挤压成型有限元软件，先对其挤压成型过程进行有限元数值模拟计算，得到了型材出口速度和变形分布图，然后根据初始数值模拟结果，从型材出口的金属流速要求均匀的角度出发，提出了引入导流槽、合理布置分流孔、调整工作带长度等措施，获得了较为理想的模具结构，为实际铝型材挤压模具结构优化设计提供了依据。
一：HyprXtrud有限元基本原理
研究挤压成型的主要方法一般有数值模拟法、实验法及实验与数值模拟法相结合法。利用HyprXtrud来研究铝型材挤压成型过程，其基本原理是采用任意拉格朗日-欧拉(Arbitraty-Lagrang-Eulr，ALE)法，它与拉格朗日法和欧拉法不同。Lagrang(拉格朗日)方法是将整个网格节点与流体(固体)质点在计算过程中始终保持一致；Eulr(欧拉)方法是将整个计算网格在计算过程中保持形状或位置不变，显然2种方法各有其缺点。ALE方法是改进的Eulr方法和Lagrang方法，它不仅吸收了Eulr方法和Lagrang方法优点，同时又克服了它们各自的缺点。该方法对物体进行网格划分时，网格与流体(固体)相互独立，计算网格能够在空间以任意方式的运动，即可以与流体(固体)质点重合，又可以与流体(固体)质点分开，从而避免了在模拟计算时网格畸变及重划分所带来的问题。因此ALE方法应用日趋广泛。收敛准则：HyprXtrud采用更新的拉格朗日算法(UpdatdLagrangFormulation)，通过迭代的罚函数有限元模型(PnaltyFinitElmnt)来分析不可压缩流体的流动。HyprXtrud还采用广义极小残差(GnralizdMinimumRESidual，GMRES)隐式算法来计算非线性控制方程。对于非牛顿流体来说，与温度和剪切率有关的黏度也使问题更加复杂，这些非线性要求使用迭代的方法来解决。在HyprXtrud中，每一迭代步中的非线性量可以通过迭代计算上一步计算结果得到，这个过程一直持续下去，直到2个连续迭代值之间的差异比设定的固定值小为止。用数学模型可表示为：
式中，ε为收敛容差。如当ε=0.时，代表2次连续迭代之间的变化是0.1%，HyprXtrud在每次非线性迭代之后，都会计算各个变量的值，如型材出口的速度、温度以及变形。根据这些数值可以判断出迭代计算的收敛趋势。
二：模具设计与模型建立
2.1型材外型与初始模具设计
图1为某多边型铝型材的主要尺寸和几何形状分布图，型材壁厚均为2mm，其截面积.14mm2，采用平面分流组合模挤压生产。图2为模具初始结构设计图，其中上模尺寸为准mm×80mm，分流桥宽度为26mm，采用5个分流孔来平衡金属坯料流动和分配金属供给量。下模尺寸为准mm×90mm，焊合室的深度为32mm，金属坯料在挤压力的作用下在焊合室聚积并完成焊合后，通过模孔挤出，得到所需的型材。2.2有限元模型建立
HyprXtrud有限元系统的几何模型一般多从Pro/E、UG、CATIA等三维软件导入。对模型结构进行有限单元的划分时，型材截面的最薄处至少分布5层单元，在工作带区域，沿挤压正方向至少布置8层以上单元，工作带和自由面上使用三棱柱单元，其余部分使用四面体网格。网格划分按照工作带→焊合室→分流孔→坯料(变型体)的顺序进行划分。整体网格单元为45万，图3为挤压有限元模型。
2.3挤压模拟工艺参数
挤压工艺参数采用如表1所示，这些参数均取自实际生产的挤压工艺参数。
2.4金属流速判断准则为了判断型材在挤出时金属的流动速度是否均匀，常采用计算流速均方差的方法来判断流速的均匀性。表达如下：式中，vi为节点速度；为平均速度；n为节点数目。当SDV越小时，表明金属挤出的速度越均匀，型材变形也越小，质量就越好；反之挤出型材变形就越大，难以满足应用要求。
三：模拟结果分析
经过一定时间的模拟计算，得到了多边型空心铝型材挤压成型模拟分析结果。图4为初始设计方案时型材出口速度分布图，从图4可以看出，型材出口①处速度最大，为mm/s，型材出口②处速度最小，只有7.mm/s，2者相差较大；图5为型材变形分布图，由于型材的出口速度极不均匀，型材变形较大，最大处达到了27.6mm，导致型材在挤出模孔时发生严重变形和扭拧等缺陷，因此挤出的型材无法达到实际应用要求。图6分别为型材出口截面、型材外侧截面及型材内侧截面速度对比图，由图6可知，除了在型材内、外侧截面及出口截面速度较小时，与型材的理论挤出速度vo=λV=51.65mm/s×51.65mm/s相比相差较小外，在型材其它位置的速度与理论挤压速度相比，相差越来越大，速度分布极不均匀。进一步判断图4中型材内、外处截面及出口截面流速是否均匀。采用式(2)计算节点流速均方差的方法来判断流速的均匀性，根据图4在型材内、外截面及出口截面各取节点，经计算，在初始设计方案中，SDVi=82.3，SDVo=85.26，SDV=85.94。显然SDV较大，金属流速分布很不均匀，挤出的型材变形大，难以满足应用要求。
四：模具优化设计方案与结果分析
4.1模具优化设计方案
根据初始模具设计的数值模拟分析结果，可以看出初始模具结构设计不合理，型材出口速度分布不均匀，导致挤压型材发生变形，因此需要对模具结构进行优化设计。根据图4、图5重新对称布置分流孔大小与形状，由于图4中的①处的金属流速过快，增加5号分流孔到挤压中心的距离，同时将该分流孔的外径向里缩5mm；而图4中的②处金属流速过慢，减少1号分流孔到挤压中心距离，其次在下模增设导流槽，最后调整工作带的长度来控制金属流动的速度。新的模具结构如图7再对上述优化方案进行有限元模拟分析，挤压工艺参数如表1。图8和图9所示为优化方案的模拟结果分布图，图8为型材出口截面速度分布图，图9为型材变形分布图，图10为优化方案型材出口截面、型材外侧截面及型材内侧截面速度对比图。
4.2模具优化结果分析
通过对比初始设计方案与优化设计方案的数值模拟结果，由图8和图9分析表明，在优化设计方案中首先型材出口的速度差值较小，整体金属流速基本均匀且对称分布，最大的速度为52.27mm/s，最小的速度为48.66mm/s，2者相差较小，在容许的误差范围内。其次是型材的变形很小，只有0.7mm，这对型材的性能与形状影响较小，基本满足实际应用要求。再根据式(2)分别计算优化方案后，在图8中型材出口截面、型材外侧截面及型材内侧截面的流速均方差值，有SDVi=0.81，SDVo=0.84，SDV=0.82。可知SDV很小，表明在优化方案中型材各截面出口速度分布基本均匀。图10表明，模具结构优化后型材出口截面、型材外侧截面及型材内侧截面的流速也基本一致，与型材的理论挤出速度相比，相差很小且基本平行。此外，从挤压数值模拟可以看出，合理布置分流孔，增设导流槽，增大或缩小工作带的长度，都可以调整及平衡金属流速，减少挤压力，促进金属的流动与焊合，从而提高模具寿命，这与金属相关挤压理论相吻合。表明采用有限元数值模拟可以为铝型材挤压成型过程提供可靠的技术支持。
五：结论
(1)应用HyprXtrud有限元软件对多边型空心铝型材进行稳态挤压成型过程的数值模拟分析，得到了挤压成型时金属的速度分布场及变形分布场，结果表明，型材出口速度不均匀是型材产生变形、扭拧等缺陷的主要原因，从而为设计者对模具结构进行优化设计指明了方向。(2)基于初始模具结构设计不合理的原因，采取了增设导流槽、合理的布置分流孔、调整工作带长度等措施对模具结构进行优化设计，再与初始设计方案对比，型材的出口速度明显较前均匀，同时降低了型材的变形，提高了模具的寿命，为实际生产提供了重要依据。
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