铝型材挤压分流组合模有限元优化设计

引言introduction

随着铝型材日益广泛的应用于生活、建筑、航空航天中，铝型材也越来越复杂，种类也越来越多，对模具的设计也提出了更高的要求。日益激烈的市场竞争已使模具产品的设计与生产厂家越来越清楚地意识到：能比别人更快地推出优秀的新产品，就能占领更多的市场。

以有限元为基础的CAE技术克服了传统的经验型设计计算方法的不准确性，带来了模具设计水平质的飞跃，极大的促进了模具工业的发展。为此，CAE方法作为能缩短产品开发周期的得力工具，被越来越频繁地引入了产品的设计与生产的各个环节，以提高产品的竞争力。

从对已设计产品性能的简单校核，逐步发展对产品性能的准确预测，再到产品工作过程的精确模拟。然后，提高产品竞争力不但需要提高产品的性能与质量，而且要降低产品的成本，因此我们需要找到最合理和最经济的设计方案。

虽然分析人员可以不厌其烦地在屏幕前一次次修改设计参数以寻找最理想方案，但缩短开发周期的压力通常要求分秒必争，人们可能没有更多的时间对数据参数进行手工调整。最优化技术引入CAE方法使人们从繁重的凑试工作中解脱出来。

ANSYS是一个集结构、热、电磁、流体分析能力于一身的CAE软件，可以进行多场耦合分析；

有强大的前后处理能力，尤其在智能网格划分器上有显著特点；

她具有较强的显式或隐式非线性求解能力，而且显式，隐式可以任意自动切换；

非线性的收敛控制具有智能化，对于大多数工程问题不需要人工干预便能完成非线性问题的收敛；

它还有一个参数化设计语言APDL该语言具有参数、数学函数、宏（子过程）、判断分支及循环等高级语言要素，是一个理想的程序流程控制语言；

它的前后处理求解数据库的统一性及不同平台数据库兼容的特点使它很适合于进行高级的优化分析。

已知条件Known conditions

模具的示意图如下所示：

图1 模具示意图

因为通常模具损坏的是模桥，而模具的高度和分流孔的分布对模桥的强度有决定性的影响，所以本文以模具的高度和分流孔的分布R1和R2为设计变量，以最大的等效应力MACEQV为目标函数。HR1、R2的初始值为：H=80mm；R1=75mm；R20=88mm。

分析和求解Analysis and solution

根据该模具的对称性，取来进行有限元分析，如图2所示。

图2 模具实体模型

为了加载挤压时的摩擦力，本文利用表面效应单元SURF154，对模具实体模型时采用SOLID92单元，共划分了10059个节点，6697个元素（其中面元素279个）。

图3 Surf154表面效应单元

图4 Solid92实体单元应力最大处

图5 有限元网络划分图

图6 模具等效应力图

结果分析Analysis of results

破坏原因

表一按顺序列出了前10个最大应力，节点最大应力（186.27MPa）比第二大应力（128.01MPa）高出31.2%，应力集中相当明显，实际上模桥也是经常在此处发生断裂，可得出此模具是应力集中导致疲劳破坏。

优化结果分析

由表二可知设计变量初始值分别为：R1=75mm、R2=88mm、H=80mm，最大应力MAXEQV=186.27MPa。经过19次迭代计算，已判定第10次为最优结果，此时设计变量值分别为：R1=70.2mm、R2=80.7mm、H=70.4mm，最大应力MAXEQV=135.91MPa，最大等效等效应力下降27%。

结束语conclusion

使用三维有限元计算程序对挤压工艺中的上模进行了应力分析，发现了此模具的破坏原因，通过对此模具利用ANSYS进行结构优化，得出了此模具的最佳高度和分流孔的分布。

作者：帅词俊，倪正顺，肖刚