基于数值仿真的铝型材挤压过程能耗建模与优化研究

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1、广东工业大学硕士学位论文（工学硕士）基于数值仿真的铝型材挤压过程能耗建模与优化研究张明杰二〇一八年五月分类号：学校代号：11845UDC：密级：学号：2111501021广东工业大学硕士学位论文（工学硕士）基于数值仿真的铝型材挤压过程能耗建模与优化研究张明杰指导教师姓名、职称：杨海东教授专业或领域名称：机械工程学生所属学院：机电工程学院论文答辩日期：2018年5月ADissertationSubmittedtoGuangdongUniversityofTechnologyfortheDegreeofMasterofEngineeringScience(MasterofEng

2、ineeringScience)ResearchonOptimizationofEnergyConsumptionProcessParametersofAluminumProfileExtrusionProcessBasedonNumericalSimulationMasterCandidate:ZhangMingjieSupervisor:Prof.YangHaidongMay2018FacultyofElectromechanicalEngineeringGuangdongUniversityofTechnologyGuangzhou,Guangdong,P.R.Chi

3、na,510006摘要摘要由于铝型材具有良好的综合性能，在航天科技以及建筑行业使用范围逐步扩大。近年来，随着经济和技术的高速发展，作为支柱材料之一的铝型材需求日益增加，其用量正不断提高并且处于持续增长阶段，是多个国家及地区的支柱产业之一。节能型挤压技术越来越受到各国有色金属加工行业的重视，高效低能耗挤压工艺研究是铝型材生产节能减排的重要方向。通过对挤压原理与生产技术的研究发现，就目前情况而言，由于模具内部是封闭状态，通过实验手段无法研究到金属变形情况、温度场变化情况和所受应力应变状况；铝型材挤压成型中金属的变形是非线性的，采用理论的方法去研究难度很高。而通过相关企业的项目调

4、研，对铝型材挤压生产工艺以及能源消耗情况有了进一步的认识,同时根据调研结果发现在实际生产中挤压工艺参数设置的可调节范围较为广泛，并且大多数情况下，工艺参数的选取是根据经验选择。而工艺参数的变化能够影响型材质量，并对材料的应力-应变状态等造成影响，根据经验选择可能造成能耗的不必要增加，不利于企业节能环保以及降低成本。本文针对铝型材挤压生产过程中的工艺参数如模具棒料温度变化特性、挤压速度等的设定以及对挤压能耗的影响问题进行研究。主要的工作内容如下：1）分析铝型材挤压技术原理，并研究了铝型材挤压生产的工艺特性，挤压过程中能量转换，深入分析了铝型材挤压过程中能耗分布。结合企业调研结

5、果，并根据热力学原理建立了挤压过程中能耗模型。最后分析得出铝型材挤压过程能耗与挤压速度、模具预热温度、棒料预热温度、型材尺寸以及挤压比等工艺参数和材料特性相关。2）根据上述的挤压过程能耗分析与企业调研结果，选取导轨类铝型材建立铝型材挤压过程的三维几何模型，基于数值仿真模拟方法建立铝型材挤压过程的有限元分析模型，并根据铝型材挤压生产的实际工艺条件，包括挤压机参数等对挤压过程进行仿真分析。研究了工艺参数对铝型材挤压成型以及对挤压能耗的影响规律。3）从节能优化的角度出发，结合实际生产考虑提出了型材质量评价模型，建立了挤压过程中挤压工艺参数与能耗及产品质量的BP神经网络模型。依据多

6、目标优化理论建立挤压过程能耗与型材质量的多目标挤压过程工艺参数优化模型，结合I广东工业大学硕士学位论文NSGA-II遗传算法进行优化，得到铝型材挤压过程中最优解以及相对应的最优参数组合。同时根据本文的研究方法设计了铝型材挤压过程能耗仿真优化系统，对型材挤压生产时参数的设定有一定先行指导意义。关键字：铝型材挤压数值仿真能耗分析工艺参数优化IIAbstractAbstractDuetothegoodcomprehensiveperformanceofaluminumprofiles,theuseofspaceintheaerospacescienceandtechnologya

7、ndconstructionindustryhasgraduallyexpanded.Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofeconomyandtechnology,thedemandforaluminumprofilesasoneofthepillarmaterialshasincreased.Theusageofaluminumprofileshasbeencontinuouslyincreasingandisinacontinuousgrowthstage.Itison