热挤压技术的产生有限元法的基础和FMEA分析.doc

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基于FME和FMEA有限元法分析的热挤压技术
原始科学论文通过应用FMEA方法评估风险，给出分析的答案和条件，直接影响到采用或拒绝技术和结构的解决方案。这主要是采用有限元模拟并且基于一个多学科团队为核心的动态解决问题的方法。主要目标是在新的铝产品的开发和设计过程中减少风险和错误的发生，同时对工具设计过程中，计算机辅助设计，在塑性变形过程的热挤压技术向前发展具有相当的促进作用。正是FMEA文件的知识专家在一个公司，目前已经变成财产，获得的价值和时事性在日新月异的变化。这是被最强大的全球性跨国公司在其所有领域的管理技术和他们解决了无论什么情况或时间离开以后可能会出现的问题。
FME(Feature Manipulate Engineering，简称FME)是加拿大Safe Software公司开发的空间数据转换处理系统，它是完整的空间ETL解决方案。该方案基于Open GIS组织提出的新的数据转换理念“语义转换”，通过提供在转换过程中重构数据的功能，实现了超过250种不同空间数据格式(模型)之间的转换，为进行快速、高质量、多需求的数据转换应用提供了高效、可靠的手段。
FMEA是失效模式和效果分析(Failure Mode and Effect Analysis)，一种用来确定潜在失效模式及其原因的分析方法。具体来说，通过实行FMEA，可在产品设计或生产工艺真正实现之前发现产品的弱点，可在原形样机阶段或在大批量生产之前确定产品缺陷。FMEA最早是由美国国家宇航局(NASA)形成的一套分析模式，FMEA是一种实用的解决问题的方法，可适用于许多工程领域，目前世界许多汽车生产商和电子制造服务商(EMS)都已经采用这种模式进行设计和生产过程的管理和监控。
1引言
铝合金半镂空元素的完整的高科技挤出系统的设计过程是基于具有现实的决定性的参数和指标对挤压过程的影响。这种技术提供一种收集和描述数值和分析反馈信息的可能性，从生产过程本身出发、从设计和开发过程、错误、缺陷和言论，生成一个自适应动态系统的时间。
2管理技术和故障水平
由于这是一系列连续的技术(铝铸造、加热、挤压， 装配、回收等)，mutually-connected这样高质量的最终产品可以实现，认为错误不仅可以发生在半空心的向前挤压过程元素，而且也可以由以前的生产过程导致。这样的影响是累积的，只有最后的生产过程表现为一个关键缺陷无法纠正(如，铝铸造过程质量差会导致浪费铸造高品质，这样就不允许高质量的挤压元素)。
错误的观念在这样一个大型过程必须非常广泛的理解，因为它可能的发生在不同的水平。即由公司管理层在创建公司的业务策略和整个业务可以有决定性的影响到整个公司的生存的错误，反之亦然。做一个正确的决定和业务解决方案肯定会产生积极的结果。处在顶层分析错误是肯定一项很大的挑战，需要一个特定的解决问题的方法。另一方面，错误发生在生产过程不太严重，可以相对容易纠正。这些错误是
最危险的，如果他们是不被监管的；如果这些错误不被立即发现，他们倾向于积累。举一个十分简单的原因，他们的早期检测发现了相应的子过程和程序然后防止错误继续发生，并使得经济损失最小化。然而，如果这些错误仍未被及时的发现，他们可以带来巨大的经济损失和损害公司的形象在一个很长的时期内。这样的现象尤其是在一个动态的环境中更加可能出现，动态的市场生产要求小的产品系列但是带有新的和非常多样化的需求。
3生成半镂空元素向前挤压工艺技术
铝和铝合金的新产品的管理和生成涉及到金属流动的建模和实现冲模和孔在模具设计对于变形过程和金属材料的高温属性的完善。这就使得已经完成的有意义的工件的横截面积（图1）的变化，遵循变形程度高，变摩擦系数、温度变化、应力、应变、应变率等。本文的主要内容就是研究半空心铝型材挤压过程的更加复杂和精确地几何数值。

图1 模具结构完成部分的模型图
商业有限元软件包Forge Transvalor被用来模拟铝的热挤压成型。挤压比高的一个原因是，由于有变摩擦系数，所以产生高的变形程度，温度变化和应力和应变率的变化。软件程序的数据结构包括控制方程、工件的有限元素，流变学的材料，挤压过程的描述，摩擦界面和数值参数。一个精确的方法是对所有这些条件使用混合的方程velocity-pressure，可以提供任何虚拟的速度场v和任何压力场p：

s:是偏应力张量的一部分，也就是本来的应变率张量；
dV：元素的体积变形；
dS：工具和钢坯接触面之间的元素；
τ：表示接触区上的切向应力；
在接触区，那种弱的不可压缩的约束导致：

其中p *是虚拟的压力，方程使用FEM有限元计算热加工参数:载荷、应变速率、温度场和变形。一种采用拉格朗日计算的方法被应用到这个方程，可以准确定义材料属性、状态变量和边界条件。
为了保证工具和边界钢坯之间复杂的交互模型，工具表面被定义为方程g(x，t)= 0，当g(x，t)> 0时，表示内部的挤压工具。增量接触条件考虑三种不同的情况：
1自由表面和之间的过渡可能发生联系；

2滑动触点；

3在增量接触可能会丢失；

其中n是正常的表面，σt应力张量在这一时刻的t和xt点坐标。
为了控制这一区域的挤压程度，可能会产生高变形，细化网格被应用到(但保持拉格朗日流动)钢坯。挤压值通过目标元素平均大小来控制，他的分布是指定的网格细化，在计算时根据网格细化的大小进行计算。（图2）
仿真方法是基于粘塑性的本构模型，忽略了金属的弹性行为的工作过程。
网格是基于两个概念:元素的质量和几何形状。仿真中挤压、大变形是主要需要一个拉格朗日网格定义。因此，完整的挤压过程是在一个区域连续的强制性的变形量的累加。
钢坯横截面的温度场(从549.5°C到450.6°C与模具的接触表面)，冲模和型腔表明他们的热交换是热量从钢坯传到模具的。（图3）

2 塑性变形区域的网格 图3 横截面被四面体网格细化的温度场
应变率是对于连续的塑性变形和完成质量最重要的参数之一。在这个模拟过程中，半径的变化是1毫米，相对应的应变率（图4）值从1.98 s – 1到34.14 s - 1 (节点575)到34.14 s – 1在模具顶部的半径。
在Z方向的横截面的应力张量分量的大的变化范围，从- 223 MPa —28 MPa表明在模具半径附近的压力传递时非连续性的。（图5）

图4 模具半径附近的应变率 图5 Z轴方向的应力分布
冯•米塞斯等效应力在材料结构中的分布，从2.96*10^7 MPa到 67*10^7 MPa在传输半径的附近，描述了铝合金型材的成型过程在挤压过程中。有三个特征值的节点值·在冯·米塞斯应力(53.4.07MPa，55.3.07MPa，52.8.07 MPa)条件下的形成区可以被解释。针对挤压中模具结构的频繁复杂设计要求，通过这种模具的结构设计，可以使得模具的设计能力超越铝及其合金的要求。企图努力实现这中方法，但是不久就一失败告终，原因就是当设计新的模具结构时候，模具最主要的零件却不能得到解决。（图6）这有一定的构造规则和限制，基于先前的知识和经验，，在设计新结构形式时它必须遵守。通过完成设置条件和标准，技术可塑性，这儿有一个高概率的结构性错误从一开始就可以得到避免，这些条件和标准来自FMEA的数据库分析，伴随着描述和物理参数的变化过程。采用3 D和2 D建模和模拟非线性塑性变形和工具腔填充填正确方法可以显著减少这些错误。
这有一个图标可以表示在生产铝挤压技术结构的半空心的元素中产生的一个大的问题。必要元素的生产要求设计和制作一个和型腔相应的矩阵模具(图1)，只有安装在水平液压机之后才表现出他的缺陷。一种非线性有限元的模拟工具模型的的横截面的仿真特点 (图7)显示了稳态塑性变形、孔通道进入的工具和工具的常规填充腔工作长度形成铝建设的墙的厚度。

图6 冯·米塞斯应力分布 图7 网格化的有限元应力应变的分布
尽管尝试采用正确的工作带长度和提高工具的滑动表面质量(抛光)在已完成模具结构中，但是很明显，这个问题发生在铝合金模具的设计过程前(图1)。这个要求就是参与联合产生的两个部分材料必须通过一个矩形肋板转移(图1)形成悬臂长度的增加(≈80毫米)，在工作压力下作用下的挤压过程中模具发生高弹性变形，即悬臂的一部分工具开始向前或者向后的方向进行挤压，最终形成已经完成的那部分可流动表面上的特征。
试图纠正这种失败并没有导致成功;因此，按照和客户的约定制作了一个新的设计。第二个解决方案对于这样的新工具在其特征连接点有相同的的位置， 并没有体现出这些不足(连接肋板的厚度是2毫米，长悬臂≈50毫米)，(图8)。这样的独立的设计方案在进入FMEA的数据库之后开始变得有价值，被用来改善失败直到完成，或者直到它完全消除在层次结构的建设中(图9)。

图8 变形的表面 图9新的设计方案
4风险分析和FMEA的应用
表示元素统被统一连接到一个新创建的FMEA过程中，这个过程是某一大型过程或过程的对象的分析(图7)。FMEA本身和它的记录表明了处理问题的难度和特点。许多工具被用于创建FMEA的分析团队帮助成员和管理公司的纠正错误。分析的本质就是一个评估，在问题之前的评估和之后进行修正(图7)。没有这样一个评估和评价体系，真正的效果和结果的分析将无法实现。
数值评估提到的错误评估在评估时可能发生，所谓的风险因素R1从1(不可能)到10(很可能)。对于每一个错误的原因，发生的后果对于他们的客户的重要性也被评估，这就是风险因素R2。这个值从1(没有后果)到10(严重的后果)。这个术语——客户，由最终的用户使用产品，他们会在任何方面，直接处理挤压过程错误。必要的因素在它到达终端用户之前被考虑，就是检测一个错误的可能性，所谓的风险因素R3在1(很可能检测)到10之间(不可能检测)。
在生产中的这三个因素，介于1和1000之间被称为优先级风险值，并可能被显示为不会有任何风险，或者风险非常高。排名优先级值的风险和消除所有错误占总成本的大多数，这一过程获得了潜在的改进和适当应用的措施。这样高强度的工作需要大量的团队合作在公司内， 当实现了业务作为一个整体运行之后，就会在软件的研究出现显著结果 (图4)。
5结论
当这个问题被认为是全面的，似乎其实质就不是几何模型，但是在给定的变形条件下，解决方案就是生产满意的产品。当以这种方式对待任务，这些问题的经验和知识经过多年的积累就会提供一个解决问题的答案。现在，借助工具的帮助，比如FMEA，可以寻找到最佳的解决方案。即使这些问题只发生一次，并且被广泛讨论过，但是设计师将获得的基本上是一些无法被解释清楚的基础数据。采用这种方法，公司的管理者就常常拥有先进的智力潜能和技术资本， 在现代市场这是一个决定性的资产。
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