高速列车铝合金横梁型材挤压流动规律研究

 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。铅合金因具有重量轻、强度离、导电导热性好、耐腐蚀、外形美观等优点而成为离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侣合金挤压型材。7N01铅合金属于高强硬质铅合金,挤压成形难度较大,目前国内外文献中针对7N01铅型材挤压成形王艺与模具结构设计方面的研巧较少,该类铅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铅合金型材的研发和应用。因此,7N01铅型材挤压模具设计、工芝制定、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、工艺模具参数的影晌规律等科学问题的深刻认识和掌捏,这些问题的解决将有助于提高7N01铅型材挤压的成品率、产品质量及模具寿命。

　　本文高速列车7N01铅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铅合金铸锭的力学和热物理性能参数,建立了描述7N01错合金铸锭高温流变行为的Arrhenhis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错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铅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铅合金铸锭材料的Arrhenius本构模型参数。

　　(2)基于HyperXtrude软件,对7N01错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,硏究了铸锭直径、挤压速度、模具温度、铸锭预热温度及挤压筒湿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髙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铅合金;铅型材挤忠逆向分析方法;挤压模具;数值模拟:优化设计

ABSTRACT

　　In recent years, with the fast development of high-speed trains in China, it is very urgent for the demand of lightweight car body. With the advantages of light weight, high strength, good electrical and thermal conductivity, corrosion resistance, beautiful appearance and easy of recycling, aluminum profiles have become main structure material of high-speed trains. Currently, the chassis of high-speed trains are mainly manufactured by 7N01 aluminum alloy profiles. As is a kind of high-strength and hard aluminum alloy, the extrusion process of AA7N01 is very difficult. However, there are few literatures on extrusion process and die structure design for AA7N01 profiles. At present, there still exist several main problems such as low rate of finished products and short life cycle of die on AA7N01 extrusion process, which limits the research and development of this kind of aluminum alloy profiles to a certain extent.Therefre, it is very urgent to use scientific methods to study the key problems, such as die design, process formulation and products quality control for AA7N01 profiles.

　　However, scientific methods are based on deep understanding of deformation mechanism, constitutive relation, material flow behavior and the effects of process and die structure parameters during AA7N01 extrusion process. The solution of these problems will contribute to the improvement of yield, products quality and die life for AA7N01 profiles.

　　The purpose of this work is to numerically and experimentally study the extrusion process of an AA7N01 beam profile used in high-speed train. Firstly, the mechanics parameters and thereto-physical parameters of AA7N01 ingot are obtained.

　　And the Arrhenius constitutive model to describe the deforming behavior of AA7N01 at elevated temperature is determined by the inverse analysis method. Secondly, the transient simulation of AA7N01 beam profile extrusion is carried out and verified by practical extrusion to investigate the material flow behavior during an entire extrusion cycle. Thirdly, the influences of extrusion process parameters on the product quality, extrusion load and the maximum stress of extrusion die are studied. Finally, the extrusion die structure is optimized using the response surface method and morphing technique. The main research content and results of this work are as follows:

　　(1) The mechanics parameters and thereto-physical parameters of AA7N01 are obtained experimentally. The force-displacement curves under different temperatures and strain rates of AA7N01 are obtained by hot compression tests. Then the material parameters of Arrhenius constitutive model of AA7N01 are determined with the inverse analysis method.

　　(2) Based on HyperXtrude software, the transient numerical simulation of AA7N01 beam profile extrusion is carried out to investigate the material flow and thermal behavior. The practice extrusion process is also realized in the workshop. The nose-end shape of the extrusion profile, the evolution curve of exit temperature and of extrusion load by FE simulation shows excellent agreements with experimental observation, which shows the accuracy of the constitutive model and numerical model.

　　(3) By using Taguchi's method, the influences of billet diameter, ram speed, die temperature, billet preheated temperature and container temperature on the uniformity of metal flow, extrusion load and the maximum stress of extrusion die are studied. And the optimal process parameters are determined.

　　(4) The response surface method is adopted to optimize the outline and height dimensions of pocket structure. Then by combining the morphing technique, simulation and optimization algorithm, the outline dimensions of pocket structure are further optimized.

　　Keywords:  AA7N01;Aluminum  profile  extrusion;  Reverse  analysis  method; Extrusion die; Numerical simulation; Optimization design

　　近年来,环境污染问题日益严重,节能减排、绿色制造成为当务之急。而目前实现节能减排的有效手段之一就是实现汽车、轨道列车、地铁、捏轨等交通运输工具的轻量化。尤其是现阶段我国髙速列车发展迅猛,速度等级不断提升,因此实现车体轻量化在列车开发及制造领域具有十分重要的意义。

　　铅合金具有重量轻、强度髙、导电导热性好、耐腐蚀、外形美观、易回收等优点,是目前我国髙速列车制造的主体结构材料。窝速列车的车顶及侧墙结构主要采用6XXX大型薄壁中空双表面铅型材,底架结构主要采用7XXX错型材。

　　7N01铅合金是日本开发的一种Al-Zn-Mg系错合金W,具有髙强度、优良的挤压性能和焊接性能,宜做承重较大的结构件,是目前我国髙速列车牵引梁、横梁等的关键结构材料。然而目前国内外有关铅型材挤压过程的研究大多针对6XXX铅合金材料,7XXX铅合金相关的研究相对较少,在7N01错型材挤压流动行为、工艺制定和模具设计方面还存在一系列问题:文献中有关7N01铅合金材料热流变行为的研巧较少,因此缺乏准确描述7N01侣合金力学性能、热物理性能及本构模型的数据;与常用的6XXX铅合金相化,7N01铅合金属于商强硬质铅合金,材料流动性差,且易出现焊合不良、轰粒粗大及组织分布不均等问题,导致挤压生产工艺控制的难度更大,型材质量、模具寿命、生产成本及效率等都难W得到保证。因此,7N01错型材挤压模具设计、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。因此,本文通过研究7N01铅合金材料的流变行为、挤压过程中材料流动规律W及王芝模具参数的影响规律等,为7N01铅型材挤压工艺的制定和模具结构的科学设计提供理论支撑。

　　准确的材料性能参数及合理的材料本构模型是对错合金型材挤压过程进行数值模拟的前提和关键。在7N01铅合金的材料性能方面,王强等人W通过实验1获得了7N01挤压态铅合金的力学性能及热物理性能参数随温度的变化关系。覃超等人P1研究了不同合金元素对A7N01S-T5挤压态铅合金的力学性能和断裂初性的影响。汪之平等人W研究了8种不同成分对7N01铸态错合金的力学性能及内部组织的影响。在7N01铅合金髙温热变形行为方面,刘杰等人刘君城等人W及侯君芳等人W都通过热压缩实验研巧了7N01铅合金在高温热变形过程中的力学行为及流变软化机制,分别采用Arrhenius本构模型来描述7N0I铅合金的高温流变行为,并通过传统的线性拟合方法获得了各自的模型参数。然而传统线性拟合方法无法考虑热压缩实验过程中试样变形的不均匀性及塑性功热效应的影响,因此无法获得足够精确的材料本构模型参数。

　　在7N01铅合金挤压成形方面,蒋俊如等人M通过分析不同铸锭预热温度下7N0I铅型材的显微结构,研究阐明了7N01铅型材粗晶的产生机制。并通过合理选择铸锭预热温度,采用等温挤压工艺,较好地解决了7N01铅型材挤压的粗晶现象。刘坚等人采用HyperXtrude软件对一髙速列车承载用7N01铅合金空也型材挤压模具强度进行稳态数值分析与实验验证,并通过改变分流桥位置与减小挤压比来改进模具结构,模拟结果表明两种方法均能有效降低模具的最大应力。

　　目前文献中针对7N01铅合金的研究主要集中在型材时效制度及型材焊接接头强度等方面,在合金材料性能、高温热流变行为及型材挤压成形方面的研究较少,仍极为缺乏对7N01铅合金挤压过程的实际指导。

高速列车铝合金横梁型材挤压流动规律研究：

模具初始设计方案二维图(单位;毫米)

模具初始设计方案二维图

模具初始巧i十方案的巧限儿模型

模具觀始设计方案的型材出口截面速度分布岩图

模具初始设计方案的型材出口截面变形分布岩图

目录

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

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