基于HyperXtrude软件的挤压模具优化设计

最强最好的挤压模拟软件HyperXtrude（附教程）在模具制造早期如何预测和分析各种潜在的模具设计缺陷，对于提高模具制造质量和缩短模具制造周期至关重要。使用HyperXtrude有限元挤压成形软件对模具设计进行验证，可以指导和解决挤压模具设计和制造中出现的多种问题。、铝挤压模具在设计和制造的早期对于技术人员的经验要求较高，传统的设计方法存在设计周期长、成本高和质量不易保证等缺点。随着有限元数值模拟技术（即CAE技术）在铝挤压制造业的成功应用，为挤压模具的设计和制造带来了革命性的飞跃，将挤压模具的设计和制造带进了一个崭新的发展阶段。这种基于数值模拟技术的设计和制造理念，具有多方面优势：在模具初始设计后，在计算机上以虚拟试模代替物理试模，降低模具设计成本；大幅缩短模具设计和制造周期，确保交付时间；为设计人员提供精确的计算结果，分析、评价和优化模具设计方案，从而提高了模具设计质量；有利于设计知识和经验的积累。HyperXtrude是Altair工程软件公司的一款专业的针对挤压生产过程中分析材料流动和传热的有限元应用软件。HyperXtrude采用稳健的求解算法，功能强大、计算精度高，已在铝型材挤压模具设计和制造中得到了成功应用。（Altair HyperXtrude10.0完美破解，摆脱烦人licence的限制，还有昂贵的正版费用的高门槛（100W）即刻让你轻松拥有顶级铝挤压CAE软件的技术支持。有需要的请联系QQ：278347602）挤压模具三维模型的建立（可以直接用于编程后NC完整加工）前处理有限元模型的建立后处理结果分析 Altair HyperXtrude案例研究HyperXtrude案例研究 咨询产品信息安排演示 咨询产品价格 申请邮寄资料 问题咨询 教育合作计划 Altair HyperXtrude 功能 HyperXtrude是CAE工具，用于挤压工艺和模具设计的虚拟测试、验证、修改和优化。通过使用HyperXtrude软件，工程人员能够及时发现设计问题，节约昂贵的物理试模费用。专用的挤压用户界面: 导入各种CAD数据格式 基于流程的挤压分析向导，快捷创建挤压分析模型 HyperXtrude任务管理器实现远程提交任务支持所有的模具类型: 实心，半空心模和空心型材 多出口模具 多种材料的混合挤压 导流模和宽展模（金属挤压） 正向，反向和连续挤压（金属挤压） 薄模和板材挤压（聚合体挤压） 螺旋模具（聚合体挤压） 带金属嵌件挤压（聚合体挤压）虚拟试模: 可视化材料在模具通道内的流动性 确定流动不平衡的原因 研究设计改变的响应 进行假设方案研究，测试创新的模具设计方案热管理: 使用HyperXtrude/PROCESS确定最适宜的棒料预热温度 耦合的材料流动和传热分析求解器 通过在模具内使用发热元件和/或冷却管道，控制出口温度 在不同的挤压循环之间确定模具的温度变化预测挤压缺陷: 型材形状预测 表面缺陷 金属挤压:o 跟踪表皮杂质，预测压余o 确定焊接长度o 预测焊缝质量o 预测晶粒大小和拉伸屈服强度模具变形分析: 耦合的材料流动，传热和应力分析求解器 使用Radioss计算模具的变形和模芯的变形 将模具变形降到最小满足产品公差 确定导致模具破损的原因 使用Altair OptiStruct优化支撑垫和模座的形状和尺寸全面的材料库: HyperXtrude提供了通用的聚合体，铝合金和模具材料 内嵌的材料性能计算模块 用户使用接口程序，扩展材料模型优化模具和生产: 使用Altair HyperStudy优化模具工作带和焊合室（金属挤压） 使用HyperXtrude/PROCESS计算最佳的工艺条件（挤压垫速度，棒料温度等等） 结果后处理: 模具和挤压材料的温度分布 速度和型材的形状变形 模具的变形和应力 型材的晶粒大小和屈服强度（金属挤压） 绘制特征，动画和矢量图 云图、截面和曲线HyperXtrude实现数字化模具设计制造在模具制造早期如何预测和分析各种潜在的模具设计缺陷，对于提高模具制造质量和缩短模具制造周期至关重要。使用HyperXtrude有限元挤压成形软件对模具设计进行验证，可以指导和解决挤压模具设计和制造中出现的多种问题。 铝挤压模具在设计和制造的早期对于技术人员的经验要求较高，传统的设计方法存在设计周期长、成本高和质量不易保证等缺点。随着有限元数值模拟技术（即CAE技术）在铝挤压制造业的成功应用，为挤压模具的设计和制造带来了革命性的飞跃，将挤压模具的设计和制造带进了一个崭新的发展阶段。这种基于数值模拟技术的设计和制造理念，具有多方面优势：在模具初始设计后，在计算机上以虚拟试模代替物理试模，降低模具设计成本；大幅缩短模具设计和制造周期，确保交付时间；为设计人员提供精确的计算结果，分析、评价和优化模具设计方案，从而提高了模具设计质量；有利于设计知识和经验的积累。 HyperXtrude是Altair工程软件公司的一款专业的针对挤压生产过程中分析材料流动和传热的有限元应用软件。HyperXtrude采用稳健的求解算法，功能强大、计算精度高，已在铝型材挤压模具设计和制造中得到了成功应用。 创建挤压模具有限元模型 以一个实际的挤压空心分流模为例，详细介绍HyperXtrude软件实现材料流动有限元分析的模型创建过程，图1所示为模具图和型材截面形状。图1 空心分流模具图和型材形状1. 挤压模具的材料流动有限元模型 为了分析和研究材料沿挤压模具的流动性能，首先将材料流经的模具和挤压筒的内表面几何抽取出来，然后分别创建如图2所示的有限元模型。主要包括四个部分：棒料、分流孔和焊合腔、工作带和型材。根据材料在挤压过程中变形程度及其对流动结果的影响，各部分网格单元的大小和密度要求不同，比如在模具出口附近，材料变形最剧烈，因此该区域的单元较密，而对于棒料中的单元尺寸应尽量大。这种网格单元的分配，一方面确保计算精度，另一方面可以尽量减少整个模型的大小，提高计算效率。图2 流经模具内的材料有限元网格模型2.边界条件的创建 图3所示为挤压工艺示意图，包括工具中的不同部分和材料。根据材料在挤压过程中流经工具的不同区域及其相互接触情况，分别创建各自的边界条件及其参数。主要包括：图3 挤压模具和材料的边界条件定义（1）挤压块与棒料之间的接口； （2）挤压筒和棒料之间的接口； （3）模具与棒料之间的接口； （4）工作带表面的边界条件； （5）型材表面的边界条件； （6）型材出口边界条件； （7）挤压筒和模具外部。 3.材料的选择和创建 HyperXtrude软件支持多种材料和材料的结构关系模型，内置的材料库中包含有5大类和70余种材料数据。分析人员可以根据需要选择相应的材料，并分配给相应的模型。同时软件包含一个易用的材料编辑器，可以根据需要对材料性能数据进行修改或创建新的材料，并将其保存在材料库中，易于以后使用。图4所示为AA6061材料性能参数。图4 材料性能参数4.挤压工艺参数的输入和求解控制 根据实际挤压工艺条件来定义挤压工艺参数，主要包括：棒料预热温度、模具的初始温度、挤压筒的初始温度，挤压筒的内径、棒料的长度和挤压块速度等。求解控制主要包括：分析类型、挤压类型、计算类型、收敛误差、迭代次数、时间步长及作业提交类型等。根据该例需要，主要对模具设计进行验证，分析材料流动并预测型材变形。如图5所示选择相应的参数和求解控制。图5 挤压工艺参数和求解控制的选择结果分析和评价 图6为压力场和温度场分布图，图7示意潜在的焊合问题将会导致型材上局部温度分布不均，并引起型材的局部变薄。图6 压力场和温度场分布图7 潜在的焊合问题引起局部温度分布不均匀及型材变薄图8所示速度场分布，左图为型材的速度分布，可以看出材料流速很不均匀，导致材料流动的不平衡，并引起型材的变形。右图为分流孔内的材料沿挤压方向的流速分布，材料在分流孔内速度不均将会影响型材的变形。图8 速度不均匀导致材料流动不平衡和变形根据上述计算结果与分析评价，并与实际挤压结果相比较，HyperXtrude能够准确地预测挤压模具初始设计方案的潜在缺陷，从而进一步提出改进方案，成功地验证和解决了实际挤压生产中的问题。结束语 通过使用HyperXtrude挤压成形模拟软件，成功地预测了挤压模具设计的潜在不足，真正能够帮助模具设计人员解决了现存的实际难题。实践证明，HyperXtrude软件将给铝挤压制造商带来极大的收益：通过稳健的、可靠的和快速的挤压成形数值模拟，最大限度地减少模具设计时间和降低设计成本；对新设计的模具进行验证和确认；计算和优化工作带及其长度；减少因反复的试模引起的昂贵生产成本。基于HyperXtrude软件的挤压模具优化设计关键字：HyperXtrude 模具设计 优化设计 CAE应用案例 信息化应用调查我要找茬在线投稿加入收藏发表评论好文推荐打印文本模具设计是铝型材生产的关键环节。利用HyperXtrude可以对挤压材料的流动和变形进行模拟仿真分析，研究金属流动规律以及模具和挤压加工过程中的温度场、速度场、压力场分布规律；可以及时预测实际挤压过程中可能出现的缺陷，及早优化模具结构设计、调整挤出工艺参数和有针对性指明技术解决方案。 0 前言 模具设计是铝型材生产的关键环节。传统的型材挤压模具设计主要依靠工程类比和设计经验，其设计流程一般是按照“设计返复试模返复修模、改模返复调整挤压工艺参数”的模式进行，这样不仅造成了大量的人力与物力的浪费，而且严重影响了生产效率和产品质量。计算机技术的应用可有效优化挤压工艺及挤压模具设计，缩短模具设计周期，减少试模次数。一种新型的挤压模具优化设计方法己经获得应用，即通过使用三维CAD软件精确创建挤压模具三维几何模型，利用HyperXtrude这款专业的铝合金挤压工艺和模具优化的有限元应用软件，对挤压材料的流动和变形进行模拟仿真分析，研究金属流动规律以及模具和挤压加工过程中的温度场、速度场、压力场分布规律；可以及时预测实际挤压过程中可能出现的缺陷，及早优化模具结构设计、调整挤出工艺参数和有针对性指明技术解决方案。1 HyperXtrude用于优化模具设计的过程1.1 验证初始设计方案 对于挤压模具，影响金属挤压流速的因素十分复杂，以导流模具为例，其中导流孔形状和工作带的尺寸是影响铝合金挤压流速的两个主要因素，挤压力在模具中的分布是不均匀的，一般在模具中心处的压力要比周边的压力大，导致金属流出模口时的速度分布不均匀，通常离模孔中心越近金属流动速度越块，因此型材挤出后易出现扭拧、波浪、弯曲和裂纹等缺陷。在生产实际中，一般通过调整导流孔形状和工作带的尺寸以达到平衡金属流动的目的图1 非对称双孔模具设计二维图 对于图1所示的这种宽向尺寸较大的实心型材模具，由非对称双孔平布，即要保证单孔内的金属流流速平衡，又要保证两孔流速一致，设计上有一定的难度。一般应将导流模的导流孔设计成与型材形状相近的结构，由于两孔排列边部尺寸超过挤压机允许的金属流尺寸，导流模的两外侧需宽展保证金属流平衡。型模工作带按同心圆规则设计，由于是挤6061合金工作带整体要取短些，图1所示为非对称双空型材模具初步设计的示意图。 根据模具初步设计方案，在三维建模软件PRO/E中建立精确的三维模型，如图2所示。将其导入有限元分析软件HyperXtrude中，进行网格划分，并加入具体的挤压工艺参数，如表1，提交计算，可得到如表2和图3所示的结果。图2 挤压模具三维几何模型表1 挤压模拟工艺参数图3 挤压模拟结果量化表2 挤压模拟计算结论 由图3和表2的结果分析表明：1、整体流速不平衡，偏差比较大，最快速度为图3 （a）中处显示为红色表示该区域流速偏快具体值为253.7 mm/s，最慢流速为图3（a）中显示为蓝色表示该区域流速偏慢具体值为155.9mm/s，两者相差100 mm/s；2、由表2中模具出口平均速度，左为180mm/s，右孔为 200mm/s，可直两孔间流速相差20 mm/s，这样造成挤压过程中两根型材出来的长度不一样，而且相比较大，在牵引时右边型材受拉力比左边大，使得右边型材壁厚偏薄，造成尺寸不合格；3、由图3 （d）中型材变形量化可知，挤出的型材变形量2.0 mm，变形偏大；4、由表2中的挤压块理论平均压力680Mp，表现出压力太大，这是由于6061合金力学性能、挤压工艺参数和模具结构共同决定。 本文为授权转载文章，任何人未经原授权方同意，不得复制、转载、摘编等任何方式进行使用，e-works不承担由此而产生的任何法律责任! 如有异议请及时告之，以便进行及时处理。联系方式：editore- tel：027-87592219/20/21。1.2 优化设计 根据图3、表2以及综合分析结果对初始设计方案进行修改。1、由于图3（a）中处速度偏快，故缩小导流模中导流孔相对应处的尺寸，两边各向内缩小1 mm；2、而图3 （a）中处速度偏慢，故扩大导流模中导流孔相对应处的尺寸，两边各向外放大1 mm，具体见图4；3、为了能更好平衡流速也对工作带尺寸做了相应的修改见图5。4、为了降低压力，所以修改挤压工艺参数挤压块速度改3mm/s。新的挤压工艺参数见表3。 表3 修改后挤压模拟工艺参数图4 修改后导流模结构图（蓝色线条为修改后的尺寸）图5 修改后的工作带尺寸图（蓝色数字为修改后的尺寸） 新的设计方案确定后，按照新的设计方案修改相应的PRO/E中的三维模型，把修改好的模型再次导入有限元分析软件HyperXtrude中，重新验证，可以得到新的模流分析结果如下图6和表4。 图6 挤压模拟结果量化表4 挤压模拟计算结论1.3 优化设计结果分析与讨论 由图5和表4的结果分析表明：1、整体流速比较平衡，偏差比较小，最快流速为138mm/s，最慢流速为103.5 mm/s，两者相差35 mm/s；与原来相差100 mm/s相比有了明显的改善。2、由表4中模具出口平均速度，左为117mm/s，右孔为 116mm/s，两孔间流速相差1 mm/s，与原来相差20 mm/s相比，流速差明显缩小；由于两孔之间流速偏差比较小，这样挤压出来的料头预计比较平，型材不容易变形，尺寸比较容易保证。3、由图5 （d）中型材变形量化可知，挤出的型材变形量0.8 mm，变形很小；4、由表2中的挤压块理论平均压力610Mp，压力也明显的降低，同时最高温度和平均温度的差值也有所缩小，可见优化后的设计，在流速平衡、温度平衡以及降低压力方面都有明显的改善。 按优化后的设计方案加工模具，通过后续的试模跟踪，试模挤压出来的料头平，如图6，断面尺寸检验合格，一次上机直接合格，同时也对另一个类似的断面进行跟踪，而该断面模具未做优化设计直接加工，挤压后发现料头不平，单孔中快和慢相差比较多，两孔出来的料头也不一样长，而且有扭曲现行见图7。由此可见使用有限元分析软件HyperXtrude优化模具设计是很有效而且很有必要的。2 结论 a. 基于有限元分析软件HyperXtrude平台，对挤压模具进行有限元分析模拟分析，可以用于验证挤压模具设计方案的可行性。 图7 优化设计后的模具图8 未优化设计的模具挤出的料头 b. 模拟分析结果表明，导流孔的局部形状和工作带的尺寸直接影响金属流入模孔的流量和流出模口时的速度；对非对称平布型材挤压模具导流孔的结构和工作带尺寸进行优化，使金属流动流速均匀，型材变形量小。 c. 模拟验证结果表明，优化设计对挤压模设计的优化过程是可行的，优化结果是有效的。HyperXtrude在铝型材挤压成形仿真中的应用1 概述 铝型材挤压是一个处在高温、高压、复杂的摩擦状态等复杂条件下的成形过程；在挤压成形过程中，铝合金要经历加热、整体流动、分流、焊合、定型、冷却等多个交叉耦合阶段，采用物理实验和现有的测量仪器与手段基本上无法了解铝合金的成形机理和变形规律。目前铝型材挤压工艺和模具的开发也基本上都是依靠工程类比和设计经验，所开发的挤压工艺和模具必须通过反复的试模和修模来达到合理状态，试模周期长也已经成为铝型材及其模具厂家核心竞争力提升的瓶颈所在。 大量的文献资料显示，仿真技术正在成为研究铝型材挤压机理、优化铝型材模具结构及挤压工艺、检验模具挤压工艺和模具设计合理性的重要和必要的途径。运用仿真技术可以实时跟踪铝型材挤压金属的流动行为，模拟成形过程，揭示金属的真实流动规律和各种物理场量的分布、变化情况，研究各种因素对金属变形行为的作用和影响，预测实际挤压过程中可能出现的缺陷，及早优化模具结构、调整挤出工艺参数和有针对性的指明技术解决方案。 本文对运用专业铝型材挤压仿真系统HyperXtrude进行铝型材挤压仿真建模的关键技术进行详细介绍，以某建筑横梁幕墙铝型材为例，运用HyperXtrude系统进行了仿真求解，最后将仿真结果与试模结果进行比照分析。 2 HyperXtrude系统进行铝型材挤压仿真建模的关键技术 以下将针对某建筑幕墙横梁挤压模具，创建挤压仿真模型。 2.1导入模具几何模型 HyperXtrude系统对大多数的3D CAD系统有接口，既支持通用的IGES、STEP、PARASOLID等标准格式的模型，也支持PRO/ENGINEER、UNIGRAPHIC、CATIA等专业的3D CAD模型。图1是建筑幕墙横梁挤压模具的上模和下模几何模型。 图1 幕墙横梁模具图 图2 幕墙横梁仿真模型2.2 几何模型抽取 HyperXtrude系统是一款以欧拉算法为主的仿真系统，建模时要求对材料流经的所有区域划分网格。在挤压过程中，材料流经挤压筒分流孔焊合室模孔，最后成形为型材，仿真模型需要对这几个区域的材料都进行网格划分。因此，导入几何模型后的第一个工作，就是从模具中抽取表面，创建这些区域的材料模型。从上模抽取分流孔内的挤压成形料的几何表面（定义为component name为Pothole），从下模中抽取焊合室内的挤压成形料的几何表面(定义component name为Chamber)。通过填补chamber部件上模孔，生成工作带内的挤压成形料的几何表面(定义component name为Bearing)。通过拉伸方法直接构造棒料的几何模型(定义component name为Billet)。 2.3 几何清理 为了保证单元质量，导入的几何模型中不允许有间隙、重叠、边界错位等缺陷，为了提高计算效率，导入的几何模型中也尽量不要包含细微特征，包括圆角、小孔。因此，在网格划分钱前，需要对导入的几何模型进行必要的几何清理工作，这些工作包括移除错位、小孔，压缩相邻曲面之间的边界，消除不表要的细节，改善几何模型的拓扑关系，等等。而在有限元分析时，如果要精确模拟这些微小特征，需要用到很多小单元，导致求解时间延长，在进行网格划分之前需要进行必要的几何清理工作。几何清理是一项非常重要的工作，合理的几何清理可以提高网格划分的速度和质量，提高计算精度。铝型材挤压仿真模型几何清理的重点是分流孔和分流桥。 2.4 网格划分 几何清理完毕以后，可以在表面模型的基础上生成体模型，这样，下一步就可以对体模型划分网格了。HyperXtrude系统采用内嵌HyperMesh模块进行网格划分，网格处理和优化功能非常强大、灵活。在对铝型材挤压模型进行网格划分时，必须遵循由下到上（即从bearingChamberPotholeBillet）、由内到外（对空心模而言）、由小到大的原则，先生成面网格，再生成体网格，合理分配单元尺寸，保证网格大小的平稳过渡。最后，应该对创建的网格进行检查和优化。 2.5 应用挤压成形模板 创建好网格模型以后，就可以一个用Metal Extrusion Template模板，按照一定的流程进行挤压仿真模型创建和边界条件的设置。在这个流程中，需要指定材料模型、挤压工艺参数（包括挤压速度、料筒直径、棒料温度，等等），系统会根据指定的挤压料模型自动生成边界条件和指定默认的边界参数；我们可以随后利用Check Undefined BC命令修改边界条件和参数。 2.6 生成GRF文件和提交计算 生成好仿真模型后，可以利用Parameters命令设置求解参数，最后生成grf和tcl文件，提交计算。图2是幕墙横梁的挤压仿真模型（为增加可视性，模型中隐藏了网格）。3 模型求解及结果分析 采用如表1所示的挤压参数，对该挤压过程进行仿真求解，这些参数均取自实际的挤压生产工艺。表1 挤压仿真参数图3 分流孔和焊合室内的材料流速分布图 图3是从上模分流孔入口处到焊合室底部沿Z向所截取的四个截面，结果显示3号分流孔内的金属流速较快，1号和5号分流孔内的金属流速较慢。图4 型材出口流速分布图 图5 型材出口变形图 图6 试模料头图7 试模料身 图4是型材出口流速分布图，结果显示1号分流孔随对应的位置型材出口速度太快，空心结构周边的流速不均匀。 图5是型材变形图，结果显示变形最大的部分是金属流速最快的部分，由于该处金属流速过快，导致型材向内面凹陷。 图6是该模具的试模料头，结果显示，中间部位流速过快，与图3所示的型材出口流速图非常吻合。 图7是试模料身，料身平面度测量结果显示，横梁的中间部位向内侧凹陷，与仿真分析的结果一致。 依据以上的分析结果，由于3号分流孔的流速过快，导致型材出口对应位置的型材流速过快，也导致了型材的变形，应该调整1号分流孔的大小，降低该处的型材流速。 4 结论 应用结果显示，HyperXtrude系统能够方便快捷的构建铝型材挤压仿真模型，求解速度快，求解结果能正确的反应的实际情况。合理、科学的应用该软件必将对指导铝型材挤压工艺和模具设计、减少试模次数、提高设计效率和质量、节省成本、提高经济效益具有重要价值意义。