采用HyperXtrude优化幕墙立柱类模具强度

摘要：大部分幕墙挤压模具跨度都比较大，通过Altair公司的HyperXtrude软件计算分析发现这类模具特别是大幕墙立柱型材模具都有强度差的共性，造成实际挤压不稳定，成品率低，模具容易开裂的问题。优化后的模具方案重新分析比较，强度更好，能更快速生产出合格产品，提高挤压效率，降低模具和挤压的生产成本。
关键词： 幕墙立柱 挤压模具 强度 HyperXtrude 优化

1 概述

幕墙立柱是铝合金建筑材料中最为常见的一种型材，是幕墙受力的支撑框架，在幕墙中起到重要的作用，也是幕墙材料生产中最难生产的一种。一个幕墙工程订单的生产经常因为某个幕墙立柱没有完成而拖慢整个工期。所以优化幕墙立柱材料的生产对于建筑用铝合金有重要的意义。

Altair公司的HyperXtrude挤压分析软件通过建立挤压模具的有限元模型，模拟整个挤压过程，并很好的分析挤压模具的受力情况。科学地了解挤压模具在生产时受到的挤压力以及应力分布情况。通过HyperXtrude软件分析优化设计方案，找到合适的模具结构，达到优化设计，提高模具强度和挤压效率，降低挤压成本，缩短整个铝合金产品开发周期的目的。

幕墙立柱类模具，通常跨度较大，模具强度不好，在上机生产一段时间后，模具容易变形甚至开裂，造成生产不稳定或者模具直接报废。使用HyperXtrude挤压分析软件分析不同设计方案找到优化的模具设计方案，提高模具的使用效率。

2 幕墙立柱类模具的优化过程

2.1实验方案设计

选定一个典型的幕墙立柱类模具，通过计算该模具的强度分布情况了解该类模具强度较差的根本原因，模具初始设计方案如图1所示。在保证模具厚度和模桥宽度不变的情况下修改模具结构，借助HyperXtrude重新分析不同的设计方案，比较不同分析结果，得到较优的设计方案，从而达到优化挤压模具设计的目的。

图1 挤压模具设计方案

2.2 初始传统设计方案分析

根据初始设计方案建立精确的三维模型（图2）。把三维模型导入有限元分析软件HyperXtrude中，建立有限元模型（图3），在软件中设定好相应的挤压工艺参数如表1，提交有限元分析计算。通过后处理软件HyperView可得到如表2所示的结果。

图2 挤压模具三维模型

图3 有限元分析模型

该型材的实际挤压工艺参数如表一所示：

表1 挤压工艺参数

初始设计方案计算结果如下所示：

表2 初始方案计算结果

根据分析结可以知道，该模具的型材流速范围在max=138mm/s到min=73mm/s，型材变形在0.48mm，模具最大应力值在702MPa，模具变形量在0.37 mm。该分析结果表明模具强度偏落，我们分析设定的预定模具强度最大许用值为800 MPa，模具变形值为0.37 mm，设定的许用变形最大值为0.3mm。故造成模具强度偏落，容易变形生产不稳定等缺陷。

2.3优化模具的强度设计

根据分析结果，在保持该模具模桥的宽度和模具厚度不变的前提下，重新设计模具结构，得到新的模具结构如下（图4），对该模具进行重新建模，建立有限元分析模型，按照前面相同的挤压工艺分析新结构的挤压过程，可得到如下的分析结果（表3）。

图4 新的模具结构图

表3 新的模具分析结果

根据表3的结果分析可以知道，新模具挤压的型材流速范围在max=122mm/s到min=81mm/s之间，型材变形在0.18mm，模具最大应力值在558Mpa，模具变形量在0.28 mm。对比初始设计方案的分析结果发现，型材出口流速范围缩小，模具应力值下降，模具变形也有明显的减小。证明新的设计方案在数值上有比较明显的改善，理论上是可行的。

2.4 比较两种设计方案的实际挤压结果

通过对两种的模具实际上机挤压结果的跟踪，原来传统设计方案的挤压通过量为6.2吨，之后出现型材质量不稳定，偏壁厚情况严重，把模具卸下碱洗后发现模具桥位出现裂纹如下如图5所示。而新的设计方案生产正常，通过量为12吨，模具报废的原因是工作带磨损尺寸超差。

图5 传统设计方案模具破坏情况

3 结论

1. 试验结果表明，幕墙立柱类型材的模具把模桥设计在角部位，模具强度偏差，把桥放在中间，强度有比较明显的改善。

2. 基于有限元分析软件HyperXtrude平台，对挤压模具强度进行有限元模拟的方法，可以用于优化挤压模具强度。实际证明，借助HyperXtrude挤压分析软件优化模具设计的方法是可行的，优化结果是有效的。

3. 实际挤压结果表明：合理的模具结构，不仅可以提高模具强度，而且有效地提高了挤压材料通过量并节约成本。