1. 引言
铝型材挤压是实现材料成型的关键工艺，广泛应用于汽车、建筑、航空、电子电器等领域。根据智研咨询数据显示，2024年中国铝材总产量达6783.1万吨，同比增长7.7% [1]。铝型材挤压成型过程中，存在高温、高压环境，伴随着非线性大变形以及复杂的摩擦耦合现象。传统依赖经验的试错法已难以满足现代工业对高精度、短周期的需求。挤压仿真技术即挤压CAE技术通过模拟金属流动、温度场分布及应力应变行为，为工艺优化、模具设计及缺陷控制提供了数字化解决方案，显著缩短了开发周期[2]。然而，现有商业软件在材料模型多样性、计算效率等方面的局限性，促使行业转向二次开发以实现定制化解决方案。通过二次开发，可实现专用化与智能化的进阶，从而进一步提升模具设计效率、缩短产品设计周期，提升企业竞争力[3]。
2. 挤压仿真技术发展历程及现状
仿真技术(CAE)主要以有限元分析法、有限差分法、有限体积法为核心，融合运动学分析、动力学分析等技术，综合计算数学、力学、工程管理学以及现代计算技术的综合性知识密集型的学科。在挤压加工领域，CAE仿真分析技术可精准预测材料在挤压过程中的流动轨迹、温度场分布、应力应变演化规律及缺陷形成机制，为工艺优化与模具设计提供科学依据。
20世纪60年代至80年代，弹塑性理论与有限元方法得到了一定发展，为仿真技术奠定了理论基础。早期挤压领域二维模拟工具开始出现，如美国Battelle研究室在1980年开发用于塑性加工过程模拟的有限元程序ALPID (Analysis of Large Plastic Incremental Deformation)，该程序可对金属成形过程进行初步分析，但功能相对有限[4]。20世纪90年代至21世纪初，随着计算机硬件性能的提升，仿真软件进入商业化发展阶段，国外相继推出ANSYS、Nastran、DEFORM等经典产品，不仅从二维模拟进阶到三维模拟，同时还引入热–力耦合模型，能够更真实地模拟挤压过程中的物理现象。国内则出现了如北京大学的SAP-84、华中科技大学的华铸CAE (HZCAE)、郑州机械研究所的紫瑞CAE等软件。近二十年，随着计算机算力的跃升与算法理论的成熟，仿真软件迈入高速发展期，其功能、用户界面、前后处理能力、解法库、材料库等都得到了巨大的发展，特别是场分析和结构分析方面，从力学模型发展到磁场、温度场等各类场的分析，从单一场分析发展到耦合场分析，从线性分析发展到非线性分析等[5] [6]。
据博研咨询数据显示，目前2024年全球挤压仿真软件市场规模已达18.6亿美元，中国市场以3.7亿美元规模占据19.9%的全球份额，同比增长11.5%，成为驱动全球市场增长的核心动力之一。从市场格局来看，国外品牌仍然占据主导地位，比如美国ANSYS公司的SimufactForming、LS-DYNA，Altair公司的HyperXtrude，SFTC公司的DEFORM，法国DassaultSystèmes公司的ABAQUS，以及瑞典Hexagon公司的MSCMarc等，这些软件凭借在仿真精度和复杂工艺处理上的显著优势，广泛应用于高端制造领域；国内市场则由安世亚太(PERA)、中望软件(ZWSIM)、云道智造(Canway)、华铸CAE (HZCAE)、紫瑞CAE等自主研发软件主导，它们在技术研发和市场拓展中取得积极进展，不仅在中低端市场逐步形成竞争力，还开始向高端市场渗透[7]。
随着仿真技术逐步走向成熟，利用二次开发技术定制适用于企业独特应用场景的模拟和分析工具成为提升仿真软件实用性和针对性的关键。当前主流仿真软件通常会提供丰富的二次开发接口，以满足用户个性化开发需求，比如ANSYS中的APDL参数化语言、WorkbenchAPI，Abaqus的Python/FORTRAN子程序，NASTRAN的DMAP编程语言、Python接口，HYPERWORKS的Tcl/Tk接口，LS-DYNA的FORTRAN用户子程序，以及PATRANNASTRAN的PCL等。通过二次开发接口，可以实现模具设计参数化、网格自动化处理、自定义材料模型、集成优化等功能，减少人工干预、提升工作效率[5]。
3. 挤压仿真软件二次开发核心技术方向
3.1. 参数化建模
铝型材挤压模具结构复杂(如分流模的分流孔、焊合室等特征)，传统手动建模需重复调整几何参数，效率低下且易产生误差。通过二次开发实现参数化建模，可将模具关键尺寸转化为可调控参数，结合APDL或Python脚本自动生成三维模型，大幅缩短建模周期。例如北京交通大学的郭冬梅[8]基于ANSYS提供的APDL参数化设计语言，开发了智能设计系统，流程如图1，该系统能根据用户输入的模具高度、分流孔大小、焊合室高度等模具尺寸，建立三维参数化几何模型，并结合人工神经网络与遗传算法，实现对模具结构的优化。经过实验验证，通过二次开发，所制的铝型材，其形状、尺寸均较好，力学性能也满足要求。
湖南大学的叶南海[9]基于UG NX5 开发多功能CAD/CAE设计系统，CAD模块主要通过开发友好的用户界面，流程引导用户输入型材截面信息、挤压工艺、模具尺寸等信息自动生成模具结构，并通过在Simulation Process Studio中定制CAE分析流程，实现铝型材挤压模具的有限元分析与疲劳寿命分析，根据分析结果对模具进行参数优化，直至得出最优设计模型。通过实验验证，该系统运行稳定可靠。湖南大学的贺晓华[10]利用UG/OPEN技术开发了铝型材挤压模具设计系统，并与UG NX无缝集成，高效提高了模具设计效率和质量。中南大学的马健哲[11]基于UGII 17.0开发了铝型材挤压分流模交互式3DCAD/CAE设计系统，该系统能通过人机交互界面接收型材截面信息和工艺参数，自动计算形心、截面积等几何参数，结合设计经验与准则进行数据预处理，自动生成模具三维模型。设计过程中还能通过动态交互界面实时修改特征尺寸，实现了模具设计参数化。
Figure 1. Flow chart of intelligence design system [8]
图1. 智能设计系统流程图[8]
3.2. 网格自动处理工具开发
网格质量直接影响仿真精度与计算效率，而挤压过程中金属大变形易导致局部网格畸变，不能很好平衡网格数量和质量的关系。南昌大学的陈泽中[12]利用ANSYS开放的体系结构及提供的二次开发接口UPFs，在VisualFORTRAN6.0平台上编制程序并连入ANSYS，以实现畸变网格重划，当仿真过程中网格发生畸变时，程序自动从ANSYS读取信息并重划网格再传递求解器继续运算。刘磊超[13]等提出一种自适应的耦合无网格–有限元法，当有限元单元的夹角大小、长宽比或模具干涉量超出预先设定的合理范围(即单元发生畸变)时，对应的有限元建模区域会被转换为无网格建模区域，当无网格区域脱离主变形区，不再经历较大变形时，会被转换为有限元区域，实现自适应地将有限元区域与无网格区域进行双向动态转换，并且仅在需要的区域使用无网格法。既避免了有限元法的网格重划分问题，又克服了纯无网格法计算效率低的缺陷，从而有效提高整体计算效率。厦门金龙旅行车有限公司曾锋[14]利用TCL/TK语言开发HyperMesh前处理工具，可对上千根型材进行规范化分类管理，并自动赋予材料属性、自动批量创建质量单元，通过实践证明，该工具可节省1~2天时间。上海理工大学赵升起[15]利用TCL/TK语言以及HyperMesh的API接口对HyperMesh的进行二次开发实现了自动划分、检查、清理、修补网格功能，图2为实现自定义网格修补的逻辑流程，图3、图4为一键使用网格修补工具后，网格前后处理对比效果图，显示使用该工具能有效提高网格质量。
Figure 2. Customized grid patch logic flow [15]
图2. 自定义网格修补程序逻辑流程[15]
Figure 3. Using the “Split Quals” function [15]
图3. 使用“Split Quads”功能[15]
Figure 4. Using the “Washer” function [15]
图4. 使用“Washer”功能[15]
3.3. 材料模型扩展
商业软件自带的铝合金本构模型多基于理想塑性假设，难以反映高温、高应变速率下的动态软化效应(如动态回复与再结晶行为)，同时也存在模型单一的问题。通过二次开发可将自定义材料模型嵌入仿真软件中，进一步精准呈现材料微观组织特性。郭海龙[16]团队通过等温压缩试验以及定量金相分析等手段，研究挤压态7075铝合金在250℃~450℃变形温度、0.01~10 s−1应变速率下的变形行为与组织演化规律，并基于Yada模型，经统计回归成功建立动态再结晶经验模型，表1为检验样本再结晶晶粒尺寸预测值与实测值之间误差情况，表2为检验样本平均晶粒尺寸预测值与实测值之间误差情况，可以看出预测值与实测值误差平均值小于5%。同时，通过二次开发将所建模型嵌入到Deform-3D软件实现有效结合。在单向墩粗模拟验证中，该模型展现出良好的预报精度。
Table 1. Comparison of experimental and calculated values of recrystallized grain size of test samples [16]
表1. 验样本再结晶晶粒尺寸模拟值与实验值对比[16]
Sample No |
Recrystallized grain size/μm |
Relative error/% |
Simulated |
Experimental |
1 |
14.2939 |
13.264 |
7.76 |
2 |
9.4637 |
9.5466 |
−0.87 |
3 |
22.0980 |
20.851 |
5.98 |
Table 2. Comparison of experimental and calculated values of average grain size of test samples [16]
表2. 检验样本平均晶粒尺寸模拟值与实验值对比[16]
Sample No |
Average grain size/μm |
Relative error/% |
Simulated |
Experimental |
1 |
28.8407 |
27.34 |
5.49 |
2 |
27.7649 |
29.15 |
−4.75 |
3 |
28.2209 |
27.59 |
2.28 |
华南理工大学的张首冠[17]通过热压缩和热拉伸试验，研究7075-T6铝合金在不同温度、受力情况下的变形规律，构建了MJC本构模型，在此基础上引入应力三轴度和罗德参数，扩展得到MJC-TL本构模型。经有限元建模与逆向工程参数标定后，将MJC-TL本构模型编写为VUMAT子程序嵌入ABAQUS有限元软件验证，结果显示相比MJC本构模型，MJC-TL本构模型可以明显提高模拟精度，更准确地描述该铝合金不同加载条件下的高温力学行为。Rong等[18]在不同温度条件下对AA7075铝合金进行不同方向的单向拉伸、平面应变拉伸和圆盘压缩试验，获取AA7075铝合金热应变各向异性属性，标定了YLD2004-18p屈服准则各向异性系数，同时通过二次开发将标定后Yld2004-18p准则函数以VUMAT子程序嵌入到ABAQUS有限元软件进行数值模拟，发现模拟结果与实验结果吻合度很高，表明该函数提高模拟精度。
3.4. CAD/CAE/CAM系统集成
在铝型材挤压生产领域，CAD/CAE/CAM系统的集成是实现设计、仿真与制造全流程数字化的核心支撑。其核心价值在于打破设计、分析、制造各环节间的数据壁垒与信息孤岛，通过统一的数据模型与协同平台实现无缝衔接：从产品结构设计(CAD)、成形性能仿真(CAE)到加工制造(CAM)的全流程数据可实时流转，不仅大幅减少人工重复录入与格式转换导致的误差，更能通过设计参数、仿真结果与制造指令的动态交互，实现“设计–仿真–优化–制造”的一体化，从而提高设计和加工效率，缩短产品开发周期。
山东大学吴向红[19]利用UG/Open GRIP二次开发软件包开发了铝型材挤压模具与工艺CAD系统，系统基于型材截面信息自动完成挤压工艺设计并自动生成三维建模，并通过创建CAD/CAE/CAM集成系统，使设计人员可基于仿真结果反馈实时修正参数。实验数据表明，该系统对挤压模结构优化结果是正确的，能有效缩短矩形空心管材的产品生命周期、降低生产成本。
挤压工艺参数(温度、速度、挤压比等)的优化是系统集成的重要应用场景。这类参数需在成形质量(如型材尺寸精度、组织均匀性)与生产效率(如挤压速度、模具寿命、能耗)间取得平衡，传统试错法依赖经验积累，难以找到全局最优解。通过二次开发将智能算法嵌入集成系统，可构建“仿真－优化”闭环：先由CAE模块生成海量工艺参数与成形结果的关联数据，再通过算法寻最优解。例如广东工业大学张明杰[20]基于MATLAB平台GUI模块开发了铝型材挤压过程能耗仿真优化系统，图5是该系统架构图，系统包括挤压模型、挤压过程能耗、型材质量评价及能耗参数优化模型四个功能模块，其中能耗参数优化模块先建立挤压能耗、挤压均匀性、挤压工艺参数的BP神经网络模型，再结合NSGA-II遗传算法对工艺参数进行多目标寻优，最终输出Pareto最优参数组合，可为企业提供兼顾低能耗与高质量的参数配置方案。马健哲[11]针对UGII 17.0利用VC++6.0开发出专用铝型材挤压分流模3DCAD/CAE系统，该系统采用数据文件传递方式，解决了CAD\CAE系统数据共享的问题。
Figure 5. Energy optimization simulation platform frames [20]
图5. 能耗优化仿真系统框架图[20]
3.5. 定制化后处理模块
传统CAE软件的后处理功能多为通用化设计，需人工从海量仿真结果中筛选铝型材挤压应力应变、金属流速、型材翘曲量等关键指标，不仅效率低，还易因人为判断差异导致评估偏差。二次开发通过定制化工具实现关键指标自动提取、工艺可行性智能判定及标准化报告生成，大幅提升工程应用效率。
Figure 6. Efficient post-processing interface [23]
图6. 高效后处理界面[23]
Figure 7. Pre-processing time cost contrast diagram [23]
图7. 前处理时间耗费对比图[23]
华中科技大学吴小杰[21]基于HyperWorks的Tcl/Tk接口和API函数开发了CAE自动化分析系统，系统无需用户交互即可自动完成有限元模型构建、求解器调用、结果提取等流程，且支持多种分析类型(如线性静力、模态分析)和求解器(如Nastran、Abaqus)的自动化分析框架，无需为不同分析或求解器单独构建流程。在后处理方面，系统能利用HyperView读取求解结果文件，显示不同工况下模型的变形图或应力应变云图，截取图像，还可通过转换器提取分析结果生成分析报告，如针对Nastran求解得到的结果，能利用hmnasto2将OP2文件转换成RES文件，再用hmresdmp转成TXT文本文件，对于Abaqus的计算结果，也可利用相应工具从FIL文件中提取参数，实现了后处理过程的自动化与定制化。并且以半舱托架模型为例进行实操，其线性静力自动化分析从前处理、求解到后处理平均耗时约50秒，模态自动化分析过程平均约70秒，大大提高了分析效率。重庆长安汽车股份有限公司唐诚成等[22]利用HyperWorks二次开发接口开发了悬架零部件CAE自动化分析流程，通过开发嵌入式用户操作界面，固化用户建模流程，按照建模流程，可实现接附点、刚性单元、螺栓自动创建以及自动批量将载荷加载到悬架各接附点，在分析完毕后可一键生成CAE分析报告，保证了不同分析的一致性与分析精度，同时大大地提升了分析效率。大连交通大学的高策[23]基于HyperWorks的Tcl/Tk接口开发后处理模块如图6，开发模块可实现一键应力修匀显示、一键提取所需单元信息、一键截图、一键生成PPT等四种功能，其中一键提取所需单元功能自动识别应力值大于某一阈值的节点信息，并以文件形式导出便于用户查看。图7是以铝合金车体为例进行的后处理，经测算，该后处理模块将建模时间缩短7%。
3.6. 评述与比较
为更清晰对比不同二次开发案例的技术特点，以下通过表3横向梳理各研究案例的核心信息。
Table 3. Core information table of research cases
表3. 研究案例的核心信息表
技术
方向 |
研究案例 |
二次开发平台 |
开发工具 |
核心算法 |
效果 |
潜在局限性 |
参数化建模 |
郭冬梅[8](北京交通大学) |
ANSYS |
APDL |
人工神经网络 + 遗传算法 |
自动生成三维模型，
优化模具结构，铝型材形状、尺寸及力学性能达标 |
对复杂截面型材的适配性待验证 |
叶南海[9](湖南大学) |
UG NX5, Simulation Process Studio |
UG/Open API、UIStyle、GRIP |
-- |
实现模具自动设计与优化，系统运行稳定可靠 |
与UG NX版本
绑定，跨平台兼容性较弱 |
马健哲[11](中南大学) |
UGII 17.0 |
VC++6.0 |
-- |
自动计算几何参数，实时修改特征尺寸，提升设计效率 |
部分数据依靠工程师经验，特殊、个性的结构暂时无法自动
建模 |
网格
自动
处理 |
陈泽中[12](南昌大学) |
ANSYS |
APDL, UIDL, UPFs, Visual FORTRAN |
-- |
解决网格畸变问题，保障仿真连续性 |
重划逻辑依赖预设阈值，对极端变形场景可能失效 |
曾锋[14](厦门金龙) |
HyperMesh |
Tcl/Tk |
-- |
节省前处理时间1~2天，实现上千根型材规范化管理 |
功能局限于客车，
通用性不强 |
赵升起[15](上海理工大学) |
HyperMesh |
Tcl/Tk |
-- |
简化了操作流程，解决手工检查及修补过于繁琐的实际问题，提高了前处理的效率 |
功能局限于将常用功能集成到一起，简化操作流程， |
材料
模型
扩展 |
郭海龙[16](西北工业大学) |
Deform-3D |
Fortran |
动态再结晶经验模型(基于Yada模型) |
误差平均值达到5%，精准预测7075铝合金变形行为 |
模型仅针对挤压态7075铝合金，对其他牌号适用性有限 |
张首冠[17](华南理工大学) |
ABAQUS |
VUMAT子程序(FORTRAN) |
MJC-TL本构模型(引入应力三轴度等) |
较MJC模型显著提升模拟精度，更贴合高温力学行为 |
模型参数标定复杂，需大量试验数据支撑 |
CAD/
CAE/
CAM集成 |
吴向红[19](山东大学) |
UG, Msc/
SuperForge DEFORM 3D |
UG/Open GRIP, MenuScript, UIStyler |
BP神经网络 + NSGA-II
算法 |
开发的系统提高了设计效率，实现了设计、模拟到加工一体化，减少试模成本，自主软件精度优于传统有限元法。 |
未完全覆盖非稳态阶段，对复杂型材模拟难度大 |
张明杰[20](广东工业大学) |
MATLAB |
GUI模块 |
BP神经网络 + NSGA-II
算法 |
输出Pareto最优参数，兼顾低能耗与高质量 |
能量转换较为理想，同时局限于一定工艺参数范围 |
定制化后处理 |
吴小杰[21](华中科技大学) |
HyperWorks |
Tcl/Tk |
--- |
自动地依次进行有限元模型构建、求解器调用、结果提取等，极大地减少重复工作、缩短分析时间 |
针对模型较为简单，对于复杂模型的适配性待验证 |
唐诚成[22](重庆长安汽车) |
HyperWorks |
Tcl/Tk |
--- |
对部分创建过程进行固化，有效提升了CAE分析效率与一致性，且开发的嵌入式界面降低了操作门槛，分析结果可靠 |
适用范围有限、分析类型覆盖不足等 |
高策[23](大连交通大学) |
HyperWorks |
Tcl/Tk |
--- |
后处理效率提升7%，
实现一键生成报告 |
报告模板固定，难以满足个性化分析需求 |
4. 结论与展望
(1) 二次开发技术通过定制化功能扩展，已成为破解铝型材挤压仿真中平衡高精度与高效率矛盾的核心突破口。国内外研究与应用表明，在参数化建模与网格自适应、材料模型扩展、系统集成优化、定制化后处理等方向，二次开发充分彰显技术价值，有效推动铝型材挤压行业的数字化进程。
(2) 随着科学技术的不断进步，智能化算法、异构计算、数字孪生等技术将迈向深度实用化，研究者需要重点探索自优化仿真模型构建、全生命周期数据闭环、多场多尺度耦合高效率等关键技术，为铝型材挤压行业在高质量、短周期、低成本生产目标的实现提供系统性解决方案。
基金项目
广西科技计划项目(桂科ZY24212043，桂科AD25069019)。
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。