基于 Inspire Extrude 的白车身门槛梁用铝型材挤压仿真模拟与模具结构优化

                                             陈亮  谢国文  田永生 陈晓红  尤彬波 吴雄伟

                                                 广汽研究院工艺工程部 广州

    摘要：本文借助于基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）有限元法的 Altair 挤压仿真分析模块 Inspire Extrude 软件，在产品开发阶段针对车身门槛梁用大型复杂截面的分流宽展模进行正 向稳态挤压仿真模拟，对型材出口流速、位移等结果进行分析，预测型材挤出的弯曲、翘曲 等问题。同时基于初步的仿真分析结果，通过优化初始模具结构中的分流孔、调整工作带长 度等方面，再次进行挤压仿真模拟，得到出口流速趋于均匀的分析结果。最后对优化后的模 具结构进行生产验证，实际表明仿真分析结果基本与生产一致，缩短了产品开发周期，降低 了模具调试成本。

    关键词：车身用型材  铝挤压  有限元模拟仿真  ALE 有限元   

    1  概述 

    近些年，为解决全球气候环境的温室效应，降低燃油车尾气排放问题，全球电动汽车市场不断发展。车身的轻量化是提高电动车续航里程，解决用户“里程焦虑”的有效方法之一。在车身轻量化方案中，铝挤压型材以其比钢更低的密度，相对于冲压铝板更低的制造成本，同时以具备多车型平台共用的潜力得以在电动车下车身各类梁中得以广泛应用[1]。 

    由于车身加强梁类挤压型材（如门槛梁、中通道和前/后纵梁等）大多具有多型腔、截面大、壁厚薄特点，同时强度和精度要求高，因此在前期车身设计开发阶段，对铝型材进行工艺同步仿真分析具有十分重要的作用。 

    车身铝型材多以中大型、复杂的分流模宽展模为主，前期的产品截面和挤压模具结构设计将直接影响挤出型材模具的寿命、型材表面质量和尺寸精度。传统的铝挤压模具以工程师经验为主导进行设计，并未经仿真分析而直接进行开模，后期在生产线上进行多轮试错调试，其中不可避免地耗费大量的调试时间和成本[2,3]。 

    近些年在铝挤压行业和汽车研发单位开始逐渐引入挤压仿真分析软件对型材产品进行出口流速、应力应变情况及挤出产品形状和模具寿命进行模拟，从而使产品、工艺及模具设计在最优状态下进行制作生产，缩短开发周期、降低开发成本和提升产品质量[4]。 

    本文将以广汽传祺某电动车型的中大型复杂多腔体截面门槛梁型材为例，  采用基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）有限元法[5-7]的 Inspire Extrude 挤压仿真分析软件，对初始模具结构进行挤出过程中分流体和型材出口流速、截面各区域相对出口速度差异百分比、型材挤出变形位移云图进行仿真模拟和分析。初步分析结果显示型材挤出流速严重不均衡，模具和工艺若不优化，将使后期的调试周期和成本大幅增加。为了在产品开发阶段将模具结构调整至最优状态，本文中基于铝挤压热状态下的金属流动分配的最小阻力定律原则，通过分流孔优化、供流槽体大小及工作带长度等的优化，再次导入优化后的模具进行仿真分析，直至获取型材截面各区域出口流速趋于均匀的新的优化模具结构。随后，优化后的模具结构进行生产验证，结果表明仿真分析结果与实际生产匹配度基本一致，获得了良好的挤出产品，大大缩短了产品开发周期，降低了模具调试开发成本。 

    2  产品、模具设计与有限元模型的建立 

    2.1  产品及其初步模具结构设计 

    图 1  所示为某电动车型用门槛梁铝型材产品信息。图 1(a)为型材三维视图，图 1(b)为型材截面尺寸。产品共计 6 个空腔，产品长宽最大尺寸达 220mm*181mm，产品断面积约为 3087.7mm2,  交货长度约 2m，属于大型铝型材产品。同时该型材模芯数量多且呈现非对称状态（最大尺寸约 70*80mm,  最小尺寸为50*50mm），这对挤压过程中金属的均匀分配和模具均匀受力带来了很大的挑战。 

   该挤压型材材料牌号为 6005A,  截面壁厚在 2.0,2.5,3.0mm 之间分布，规划在 28MN挤压机上进行正向挤压生产，棒料直径为 262mm。如表 1 设计详细的挤压工艺参数[8].  根据公式计算得到该型材产品的挤压比系数：λ=F0/F1=(π*2622)/(4*3087.7)≈17.5，其中 F0,  F1分别表示棒料直径和单根产品的断面积。λ 符合 6005A 铝合金合理挤压比 12-40 范围。 

                                                   图 1  型材产品信息  (a) 3D 立体图，(b)  截面尺寸图 

                                                                         表 1  挤压工艺参数 

    图 2(a)为该型材的初始模具设计三维图，受挤压机棒料吨位限制，采取分流宽展设计，共计 8 个分流桥和 8 个分流孔（如图 2(b)）。模具总体装配尺寸为 φ500mm*250mm，如图2(c)所示下模按单级焊合室进行设计，高度为 30mm。主要区域工作带长度分布如图 2(d),  根据距离模孔中心距离及型材厚度，长度按 3-4t（t 为型材厚度）进行布置。

                                                                       图 2  门槛梁初始模具结构设计：  

                                                      (a)  整体装配图；(b)上模；(c)下模；(d)工作带长度分布

    2.2  有限元模型 

    如图 3(a)所示为根据模具型腔抽取的流体模型，共计将流体分为五个主要部分：棒料、分流孔区域、焊合室、工作带和型材区域。根据五个区域的功能作用进行网格划分如图 3(b). 

    挤压棒料、分流孔、焊合室中的流动金属采用四面体四节点单元，共计 1337446 个单元；工作带和型材区域采取三棱柱六节点单元进行网格划分，共计 450350 个单元；整个模型合计 1787796 单元网格数，节点数 532876。

                                                            图 3  几何体及有限元模型的建立 

                                                 (a)有限元抽取的流体模型；(b)网格划分情况 

    本案例采用 ALE 有限元算法进行正向稳态挤压仿真模拟，结合了更新的 Lagrangian 方法和 Eulerian 算法各自优点，减少边界网格畸变，可有效地解决挤压大变形问题。本案例材料为 6005A，采取的材料模型为双曲正弦流变应力模型 Sine Hyp Inv [9]，其本构方程如下：

    式中：σf为流动应力；R 为气体常数；T 为温度；α为应力常数；A 为应变因子的倒数；Q 为激活能；m 为应力系数；k0(T)为初始应变速率，其值取决于温度场的给定。计算求解在 Altair PBS Works 的高性能计算机平台 HPC (CPU(24 核，2.2GHz)，RAM-128GB)上进行。 

    3  初始模具方案仿真分析结果 

    图 4(a)为金属流经分流孔时的速度云图，由于分流孔的配比情况导致图 4(a)中虚线框内①②③④处金属流速较其他区域要快，导致分流孔对应的型材区域在模具出口变形差异明显。如图 4(b)为型材出口变形位移量，最大值达到约为 55mm，最小值仅有约为 4mm。 

    同时，截取型材出口截面，其出口速度云图如图 5。从图图 5(a)中可以看出，截面左上角和右下部分，即实线框内区域的出口速度最快，基本在 65mm/s 左右。且在图 5(a)虚线框内出口速度极不均匀，相邻侧选点进行速度测量可知（如图 5(b)），出口速度最大值约为65mm/s，最小的出口速度仅有约 20mm/s，该相邻区域速度相差约 70%，导致此处变形严重，甚至无法正常挤出中间加强筋条。 

                                                          图 4  分流孔流速及出口变形位移云图 

                                     (a)  各分流区金属流速分布；(b)型材挤出整体平均位移云图 

                                                             图 5  型材截面出口流速云图 

                        (a)  模具出口 Z 向流速云图；(b)  图 5(a)中虚线框处放大及速度标注图

    如图6(a)所示为型材挤出出口相对差异图，白色型材区域为速度差异比超出±15%范围，可以看出，型材约 50%区域挤出位置存在超差范围。如图 6(b)中所示，其中最大相对出口值为 30%,  最小为约-50%，即表明存在极大的速度不均，预测可导致挤压变形翘曲等不良发生。图 6 的分析结果与图 4、图 5 中型材分流速度、出口变形位移及 Z 向出口速度结果基本吻合，即初始的模具结构设计将导致型材挤出变形严重，达不到精度要求，甚至可能导致模具报废。 

                          图 6  挤出出口相对速度差异云图；(a)±15%范围显示图；(b)最大最小相对差值位置

    4  模具结构优化/其优化分析结果及生产验证 

    4.1  模具结构优化 

    从上文的仿真分析结果可知，型材中间内部两根筋处流速相对较慢，因此考虑将中间分流孔进行扩充，加大金属引料。如图 7(b)将原起始平直状分流口优化成弧形面分流状，不仅可增加对中间流速慢部位的金属供应，同时可以降低棒料对其的冲击，增加该处结构强度，具体尺寸见图。 

    同时针对图 5(a)虚线框内区域的流速差比最大的区域，将其分流桥逆时针旋转（如图7(c)中虚线框内），避免分流金属直接供入流速极快的区域。同时针对该区域左侧流速慢的型材筋条区域，将分流孔空间扩大约 24mm，已增加该处金属流动供应，如图 7(c)实线框内。 

                                图 7  模具优化方案(蓝色透明为初始模具，实心为优化后的模具) 

                   (a)原方案与优化方案对比；(b)中间处分流孔增加；(c)分流桥及供料槽优化

    针对其他区域流速不均，但出口流速差异比低于约 30%的部分，对其进行工作带长度调整，该方法调整时间短且效果明显。如图 8 所示，主要上文中流速不均的区域进行了工作带长度的调整，即流速相对快的区域进行工作带加长，流速慢的区域进行工作带长度的缩短，图 8(a)和图 8(b)分别为调整前后的工作带长度。

                                                图 8  流速不均区域的工作带调整方案 

                                          (a)原工作带长度；(b)优化后的工作带长度分布 

    4.2  优化后的仿真分析结果 

    如图 9 所示为优化模具结构后的仿真分析结果，对比图 4 所示的初始模具结构下的分析结果可明显看出，型材在分流阶段，左上侧、右上侧和右下角区域（如图 9(a)虚线框内所示）较快的金属流动得到有效减慢。图 9(a)中实线框内型材中间区域相对于初始模具结构时得到更多的金属供应，这将助于中间处型材出口速度增加。同时对比图 9(b)与图 4(b)型材出口变形位移图，显然，调整后的型材出口变形位移大大减小，56mm→30mm。 

    如图 10(a)所示为优化模具后的型材出口流速云图，对比图 5(a)可知，优化的型材出口流速云图颜色分布均匀，即流速趋于平衡，总体均值在 50mm/s 左右。针对初始模具右侧出口流速差异较大的问题，优化的结果如图 10(b)所示，最大流速约为 49mm/s，最小流速约为 40mm/s，相差约 18%，对比原始模具状态下的 70%速度差值，已经有了很明显的改善。 

    图 11(a)和(b)为在同比例标尺范围下，模具优化前后的相对出口速度差异云图。从图中可以看出优化前型材大部分区域的相对出口速度差异超过±15%，而优化后的型材 90%以上区域速度差异分布基本保证在±15%以内。这与前面的型材出口位移、出口速度分布基本一致。 

                                 图 9  模具优化调整后的分流孔流速及出口变形位移云图 

                              (a)  各分流区金属流速分布；(b)型材挤出整体平均位移云图 

                                                 图 10 型材截面出口流速云图 

                    (a)  模具出口 Z 向流速云图；(b)  图 5(a)中虚线框处放大及速度标注图 

                                       图 11 同比例标尺下挤压型材相对出口速度差异 

              (a)初始模具下型材各区域相对出口速度差异；(b)  优化模具后的相对出口速度差异 

    4.3  生产验证 

    如图 12 为模具优化后的生产验证情况。从图 12(a)和(b)可以看出，型材挤出面扭曲和翘曲情况得到有效改善，生产一次性通过，挤出料头各处变形与挤出模拟仿真结果基本匹配。同时对机加工完的型材进行三坐标检测，其各处面差基本满足±0.7mm 的精度要求，符合车身搭接匹配精度要求。 

    图 12  型材实际生产及精度检测情况(a)  生产现场图；(b)  锯切后的型材; (c)三坐标检测 

    5  结论 

    本文借助 Altair  公司的 Inspire  Extrude 挤压仿真分析软件，针对汽车门槛梁大型复杂的宽展分流模进行挤出仿真分析与优化，得到最优解，成功应用于生产指导，为项目和产品开发过程中节约了时间和成本。通过该案例，得出结论如下： 

    (1)  凭借经验设计的初始挤压模具，其挤出速度并不理想均匀，仍需借助挤压仿真分析软件进行优化，这可以减少后期的模具调试时间和成本； 

    (2)  ALE 有限元法可以较精确地对挤压这类高温大变形问题进行求解； (3)  针对型材挤出不均问题的调整，结合仿真分析结果的分流孔金属流速、出口速度云图、挤出变形位移图等结果，得出：型材出口速度差异比超过 30%的区域建议优先调整分流孔大小和分流桥位置，相对速度差异小于 30%的区域优先对其工作带长度进行优化。

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