高速列车用7N01高强铝合金横梁型材挤压流动规律研究及模具优化设计

发布时间：2017-08-06 10:23

  本文关键词：高速列车用7N01高强铝合金横梁型材挤压流动规律研究及模具优化设计

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【摘要】：近年来,高速列车发展迅猛,速度等级不断提升,车体轻量化的需求十分迫切。铝合金因具有重量轻、强度高、导电导热性好、耐腐蚀、外形美观等优点而成为高速列车制造的首选结构材料。目前高速列车底架主要采用7N01铝合金挤压型材。7N01铝合金属于高强硬质铝合金,挤压成形难度较大,目前国内外文献中针对7N01铝型材挤压成形工艺与模具结构设计方面的研究较少,该类铝型材挤压生产中还存在成品率低和模具寿命短等主要问题,在一定程度上限制了该类铝合金型材的研发和应用。因此,7N01铝型材挤压模具设计、工艺制定、产品质量控制等关键问题迫切需要科学的开发手段。而科学的挤压工艺和模具设计方法来源于对剧烈大变形挤压过程中的材料变形机理、本构关系、流动规律、工艺模具参数的影响规律等科学问题的深刻认识和掌握,这些问题的解决将有助于提高7N01铝型材挤压的成品率、产品质量及模具寿命。本文以高速列车7N01铝合金横梁型材为研究对象,采用数值模拟与实验相结合的方法,测试了7N01铝合金铸锭的力学和热物理性能参数,建立了描述7N01铝合金铸锭高温流变行为的Arrhenius本构模型,通过对挤压过程进行数值模拟,研究了挤压工艺参数对型材质量、挤压力及模具强度的影响规律,并分别采用响应曲面方法和网格变形技术对模具结构进行了优化设计。本论文的主要研究内容和成果如下：(1)系统测试了7N01铝合金铸锭的力学和热物理性能参数。通过热压缩实验获得了7N01铝合金铸锭在不同温度和不同变形速度下的力-位移曲线,并采用逆向分析方法获得了7N01铝合金铸锭材料的Arrhenius本构模型参数。(2)基于HyperXtrude软件,对7N01铝合金横梁型材挤压全过程进行了数值模拟,通过与实际生产的料头形状、挤压机出口处型材表面温度历史曲线及挤压力历史曲线进行对比,两者吻合良好,验证了本项目所建立的本构模型及数值模型的准确性。(3)采用Taguchi实验设计方法,研究了铸锭直径、挤压速度、模具温度、铸锭预热温度及挤压筒温度对型材出口截面材料流动均匀性、挤压力及模具所受最大应力的影响规律,并确定了最优的挤压工艺参数组合,分析了挤压工艺参数对型材出口截面材料流动均匀性、挤压力及模具所受最大应力影响程度的大小。(4)采用响应曲面方法对导流室轮廓及高度尺寸进行了优化设计,并在此基础上,借助网格变形技术,结合数值模拟与优化算法,对导流室轮廓尺寸进一步进行了优化。
【关键词】：7N01铝合金 铝型材挤压 逆向分析方法 挤压模具 数值模拟 优化设计
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG379
【目录】：

• 摘要11-13
• Abstract13-15
• 第一章 绪论15-23
• 1.1 引言15
• 1.2 7N01铝合金的研究现状15-16
• 1.3 铝型材挤压过程数值模拟的研究现状16-18
• 1.4 工艺参数对挤压过程影响规律的研究现状18
• 1.5 挤压模具结构优化设计的研究现状18-21
• 1.6 目前研究存在的主要问题21-22
• 1.7 本文的主要研究内容22-23
• 第二章 7N01铝合金材料性能研究与本构模型确定23-35
• 2.1 引言23
• 2.2 7N01铝合金的化学成分23
• 2.3 7N01铝合金力学和热物理性能参数的测试23-27
• 2.3.1 力学性能参数的测试23-25
• 2.3.2 热物理性能参数的测试25-27
• 2.4 7N01铝合金本构模型的研究27-33
• 2.4.1 材料准备27-28
• 2.4.2 热压缩实验28-29
• 2.4.3 本构模型的提出29
• 2.4.4 逆向分析方法获得7N01铝合金本构模型参数29-33
• 2.5 本章小结33-35
• 第三章 7N01铝合金横梁型材挤压热力耦合行为研究及实验验证35-43
• 3.1 引言35
• 3.2 HyperXtrude瞬态数值模型的建立35-38
• 3.2.1 几何模型的建立35-37
• 3.2.2 有限元模型的建立37-38
• 3.3 数值模拟结果分析及实验验证38-42
• 3.3.1 挤压过程中材料流动规律研究38-39
• 3.3.2 挤压机出口处型材表面温度变化规律分析39-40
• 3.3.3 型材挤压所需载荷分析40-41
• 3.3.4 型材微观组织观察41-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第四章 基于Taguchi方法的挤压工艺参数影响规律研究43-61
• 4.1 引言43
• 4.2 实验方案的确定43-46
• 4.2.1 评价指标的选取43-44
• 4.2.2 影响因素的选取及因素水平的确定44
• 4.2.3 直交表44-46
• 4.3 挤压工艺参数初始方案的模拟分析46-51
• 4.3.1 稳态流动分析46-48
• 4.3.2 稳态模具强度分析48-51
• 4.4 信噪比和变异数分析51-59
• 4.4.1 VRD的信噪比和变异数分析51-54
• 4.4.2 挤压力的信噪比和变异数分析54-57
• 4.4.3 模具所受最大应力的信噪比和变异数分析57-59
• 4.5 本章小结59-61
• 第五章 基于响应曲面法和网格变形技术的挤压模具结构优化设计61-81
• 5.1 引言61
• 5.2 模具结构的初始设计方案61-64
• 5.3 基于响应曲面法的导流室尺寸优化设计64-71
• 5.3.1 设计变量和响应的确定64-65
• 5.3.2 Box-Behnken实验设计65-68
• 5.3.3 响应曲面模型的建立68-70
• 5.3.4 响应曲面优化及验证70-71
• 5.4 基于网格变形技术的导流室轮廓尺寸优化设计71-80
• 5.4.1 网格变形技术的简单介绍71-72
• 5.4.2 借助网格变形技术的优化流程72-73
• 5.4.3 形状变量的创建73-76
• 5.4.4 响应的创建76
• 5.4.5 数学模型的建立76-77
• 5.4.6 优化算法的选择77
• 5.4.7 优化结果的分析77-80
• 5.5 本章小结80-81
• 第六章 结论与展望81-85
• 6.1 结论81-82
• 6.2 展望82-85
• 参考文献85-93
• 致谢93-95
• 攻读硕士学位期间完成的论文95-97
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目97-98
• 学位论文评阅及答辩情况表98

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