第一章 绪论
1.1 铝型材挤压概述
与工业发达国家相比，我国的铝合金挤压技术还有一定的差距，模具的使用寿命仅为国际先进水平的 1/3 左右。一些高精尖大铝型材还需要进口，其它产品也没有强有力的国际市场竞争力。随着我国国民经济的持续稳定快速发展和人民生活水平的不断提高，对铝型材的需求量将越来越大，对其品种和质量的要求也将越来越高。影响铝型材质量的因素有很多，总结起来有三个方面：一是毛坯质量；二是挤压工艺；三是挤压工模具的设计、制造和装配水平。其中，挤压工模具的设计是保障产品质量和减少投入时间和成本的最重要环节。铝型材的挤压，是将加热后的铝坯锭置于挤压筒内使其受压，然后通过模具成形为形状和性能满足需要的铝型材。铝型材挤压过程中，型材截面上的各部分金属在挤出模孔时如果以不同的速度流出，就会造成型材的扭拧、波浪、弯曲及裂纹等缺陷而报废，甚至损坏模具。如何提高铝型材产品的质量，如何提高铝型材挤压工模具的使用寿命是各大铝型材生产厂家和科研机构的重要课题。
铝型材的热挤压过程非常复杂，挤压工模具要承受长时间的高温、高压、高摩擦、激冷激热、反复循环应力、偏心载荷和冲击载荷、局部应力集中等作用。可见，挤压工模具的工作条件十分恶劣，引起其变形和损坏的因素也是错综复杂的。因此设计铝型材热挤压模具时，应尽可能考虑各种不利因素的影响，将各种因素进行综合分析，选择合理的结构，进行可靠的强度校核和优化设计，进而设计出合理的热挤压模具。实践证明，挤压成形是铝型材生产的主导技术和核心环节，挤压模具是铝型材挤压成形的关键装备。模具的设计、制造质量是实现挤压产品高产、优质、低耗的必要条件。对于中等批量的产品，工模具的成本占总生产成本的30%左右。评估某一挤压方法是否经济可行，往往取决于工模具的寿命。
目前，我国型材挤压工模具的设计大都还停留在传统的依靠工程类比和设计经验的积累上，所设计的模具必须经过反复的试模和修模来调整工艺参数，有的模具试模次数达到10次以上，严重影响了企业的模具开发周期和生产效率以及模具的质量和使用寿命，增加了经济成本和时间成本。随着铝型材不断发展，改进传统的模具设计方法已成为当前发展铝型材的迫切需要。随着科学技术的发展，计算机作为模拟和分析的工具已经应用到了铝型材挤压模具的设计中。
计算机仿真技术可以在模具制造之前在计算机上模拟工艺的全过程，研究、设计者可以据此分析工艺参数和工件性能间的关系，观察成形过程是否会产生产品的外部和内部缺陷，获得变形体的应力应变分布、温度分布、金属流速分布及力、行程曲线等，以便获得改善模具设计的信息和依据，从而更好地改进模具设计，代替“试模”、“修模”工序，是改进模具设计、提高设计水平和质量的重要手段。仿真技术在保证模具质量、减少材料消耗、提高生产力、缩短试制周期、实现无缺陷、高质量加工生产等方面显示出了显著的优越性，具有很大的经济效益和社会效益。
1.1.2 铝型材种类
目前，铝合金挤压型材大约有 5 万种以上，可以根据以下分类方法进行分类：(1) 按挤压型材的使用性质可以分为通用型材和专用型材；(2) 按挤压型材的横截面的形状和尺寸可以分为直角型材、斜角型材、带圆角和圆弧的型材、圆头型材；(3) 按挤压型材的纵截面的形状可以分为恒断面型材和变断面型材；(4) 按型材的合金状态和力学性能可以分为一般强度型材和高强度型材。具体分类可见图 1 1。
1.2 国内外挤压模具的 CAD/CAE/CAO 研究现状
挤压模具技术是一门综合性很强的边缘学科，挤压模具的设计也是一个系统工程，想要设计出结构合理且经济实用的挤压模具是很困难的。因此，国内外科研人员对挤压模具的设计理论和方法做了大量的研究工作。随着计算机技术的发展和普及，挤压模具的 CAD/CAE/CAO（计算机辅助设计/分析/优化）得到了飞速发展和应用，同时也取得了大量的科研成果。
1． 挤压模具的 CAD 研究方面
廖培根[36]等开发了基于 UG 的挤压模具设计专用 CAD 系统，实现了工作带的自动设计。并且采用 DEFORM-3D 有限元的分析软件对该经系统设计的简单型材挤压模具进行挤压过程稳态模拟。模拟结果表明：金属流速均匀，证明该系统能够设计出比较合理的挤压模具，模具的设计效率得到了大幅度提高。但该系统在生产实践中的有效性还有待进一步检验。王孟君[37]等使用成组技术，以型材截面图形为主特征对型材进行分类，建立了实用的挤压铝型材柔性分类编码系统，并应用于挤压模 CAD 图形数据库，实现了对现有铝型材产品图纸和挤压模具的集中管理和快速检索，减少了重复设计，缩短了设计实践，提高了工作效率。对生产实践中的铝型材和挤压模具的管理有很大帮助。
第二章 热挤压模具三维参数化几何模型的建立
2.1 热挤压模具三维建模技术研究
铝型材热挤压模具的几何模型是对其进行热力耦合分析和优化设计的基础，其建模精度直接影响到数值模拟结果的准确性。在各种几何建模中，最理想的是三维实体建模。三维实体模型几乎可以建立研究对象的点、线、面、体等所有几何信息，同时还具有质量、体积等物理属性，更接近于真实物体，精度最高。而且实体之间还可以进行并、交、差等布尔运算，能够建立更加复杂对象的模型，并能进行消隐、着色和渲染。还可对其进行干涉检查、运动仿真以及有限元分析等。此外，通过三维实体模型还可以生成二维模型和各个视图，以及进行数控加工等。因此，三维实体模型是实现设计与制造、分析与测试、优化设计、工程管理等各方面高度集成、高度自动化的基础，随着计算机的普及，应用也越来越广泛。
传统的基于 GUI 方式的建模技术是用固定的尺寸定义几何元素，修改模型只能通过修改大量的尺寸来实现，对于系列化的建模对象工作量非常大。而参数化建模可以通过一系列参数来定义建模对象的尺寸关系，建模对象的变化可以通过调整相应参数的数值驱动模型的变化来实现，对于系列化的建模对象具有极大的优越性。另外，参数化建模还是进行优化设计的必备条件。
第三章 热挤压模具的温度场及热应力场研究.................. 33-41
3.1 热挤压模具的热弹塑性本构关系.................. 33-35
3.1.1 弹性本构关系.................. 33
3.1.2 弹塑性本构关系.................. 33-34
3.1.3 热弹塑性本构关系 ..................34-35
3.2 热挤压模具温度场的数学模型 ..................35-40
3.3 热挤压模具热应力场的数学模型.................. 40
3.4 本章小结 ..................40-41
第四章 热挤压模具的热力耦合研究.................. 41-54
4.1 热挤压模具的热力耦合研究 ..................41-42
4.1.1 热力耦合方法 ..................41
4.1.2 热力耦合方程的建立.................. 41-42
4.2 热力耦合的实现 ..................42-50
4.3 热力耦合结果分析.................. 50-53
4.4 本章小结 ..................53-54
第五章 热挤压模具的优化设计研究.................. 54-68
5.1 热挤压模具主要结构参数对模具.................. 54-59
5.2 优化设计方法 ..................59-61
5.3 热挤压模具优化设计的实现.................. 61-62
5.3.1 数学模型的建立 ..................61-62
5.3.2 优化设计的实现 ..................62
5.4 优化结果分析 ..................62-63
5.5 方管铝型材热挤压模具的优化设计研究 ..................63-67
5.6 本章小结 ..................67-68
结论
本文采用理论分析与数值模拟相结合的方法，对多边形热挤压模进行了热力耦合分析和优化设计，得出以下结论：
1. 热力耦合分析计算结果表明，模具体内应力分布不均，局部应力高度集中。
2. 铝型材热挤压模具分流桥与模芯结合部分应力高度集中，容易导致该处产生疲劳裂纹，进而导致模具失效，与挤压生产中模具产生裂纹的位置相吻合，从而找到模具失效的原因所在。
3. 数值模拟结果与生产实践相吻合，说明热力耦合方法的有效性和通用性，可以为生产实践所采用。
4. 建立在热力耦合计算结果和优化设计理论基础上的优化设计结果可以为生产实践提供参考。
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