利用仿真软件实现铝型材挤压成形仿真技术的研究

2  铝型材挤压成形特点 

铝型材挤压成形工艺过程可以看作是一种特殊的、复杂的流体运动过程，属

于三维流动、非线性、大变形问题。在挤压成形过程中，会不断的产生新的自由

表面、产生新的热量，发生温度传递、大变形、复杂几何形体变化等各种交叉藕

合现象；整个挤压过程可以分为非稳态开始、稳态成形、非稳态结束三个阶段，

在非稳态的挤压变形阶段，弹性变形由于远远小于金属的塑性变形而可以被忽

略；但是在稳态变形阶段，塑性变形不再剧烈的条件下，则必须考虑弹性变形的

影响，因此，其材料本构模型也非常复杂；同时，在高温状态下材料的粘度性能

不符合常粘度定律，材料的应变速率及温度对变形的影响不可忽视。 

模具是铝型材挤压成形的重要装备，是决定铝型材产品质量的先决条件之

一。铝型材挤压导流模的形状和尺寸、分流腔的数量和分布、焊合室的形状和深

度、定径带的长度、模具表面的光洁度等都会影响铝合金在成形中的流动状态，

进而影响型材挤出的质量。铝型材制品尺寸越大、形状越复杂，其变形的不均匀

性就越显著，截面卜各部分的金属在挤出模孔时的速度差异就越大，就越容易造

成型材的扭拧、波浪、弯曲及裂纹等缺陷[1]

。 

3  铝型材挤压仿真技术 

目前，铝型材挤压仿真所采用的技术主要有两种，第一种是基于 Lagrange

格式的有限元方法（Finite Element Method , FEM ) ，第二种是基于 Euler

格式的有限体积法（Finite Volume Method , FVM )[2～3]

 。 

3.1 有限元方法(FEM)  

FEM 的基本思想是将材料的整个求解域离散为一系列相互连接的单元体（如

三角形、四边形或六面体等单元），通过求解各单元和节点在每一加载步上的物

理场量，来描述材料在成形过程中的变形情况。有限元方法必须满足的基本方程

包括平衡方程、几何方程、本构方程、屈服准则、体积不可压缩条件、力和速度

边界条件。 

用有限元方法进行铝型材挤压成形仿真的优点是， 在计算过程中节点的位置

随着成形的进行而不断发生变化，单元的形状也随之发生变形，因而，节点与单

元瞬态的物理场量可以很好地描述成形体的变形情况。 这种方法不仅能很好处理

复杂边界问题，而且能跟踪材料变形节点，记忆材料变形的历史，非常适合分析

瞬态成形问题。 

用有限元方法方法进行铝型材挤压成形仿真的缺点是， 计算过程中网格会经

常发生畸变，导致体积损失过大，甚至出现网格无法生成的情况，必须对畸变后

的网格进行重新划分，而这种方式既浪费计算时间，又降低了计算的精度，变形

程度大时甚至无法进行下去。