钛合金热粘塑性本构关系的子程序开发及有限元验证

目前大型有限元商业软件中包含一些常见的金属热粘塑性本构模型有限元程序,但由于不同的具体工程应用问题,这些软件中的模型通常无法满足对高速冲击或切削等条件下材料性能的描述。针对这一问题,本研究引入一种显式积分算法,并通过ABAQUS用户子程序接口将用户自定义的金属热粘塑性本构模型进行了数值程序实现。对比实验数据可见,VUMAT子程序可较准确地描述TC4钛合金的应变率强化与温度软化效应。此外,通过与ABAQUS软件自带的Johnson-Cook本构模型数值模拟结果对比发现,两者吻合良好,且子程序在计算效率方面明显优于前者,为金属材料在高速冲击或切削加工等条件下的数值模拟提供了技术支撑。     

国内TC18钛合金本构关系研究进展

TC18钛合金具有高韧性,高强度,优良的塑性、淬透性等特点,在航空航天领域被广泛用做各种高承力构件,因此对其力学性能进行研究十分必要。本构关系是表征材料力学性能的最基本方法之一,为此,对TC18钛合金在准静态下的本构关系研究方法进行了综述,主要是通过热压缩实验(包括有限元仿真模拟)和应力松弛实验得到合金的力学性能数据并建立相应的准静态本构关系,并对各种研究方法的特点进行了比较分析。此外,参照具有相同结构类型的合金在动态下的本构关系研究方法,对TC18钛合金动态力学性能和本构关系研究的方向进行了展望。     

基于Duncan-Chang模型的垃圾土边坡有限元分析

采用fortran语言编写了Duncan-Chang本构模型子程序,实现了有限元软件ABAQUS的二次开发,再利用UMAT子程序接口导入Duncan-Chang的E-B本构模型对垃圾土边坡稳定性进行分析。通过与极限平衡法中的Bishop法和Morgenstern-Price法比较,对基于Duncan-Chang本构模型的有限元法在垃圾土边坡稳定性分析的合理性进行了探讨。     

基于J-C模型的TC18钛合金动态本构方程构建

采用电子万能试验机对TC18钛合金进行常温准静态压缩实验,得到该合金在准静态下的实验数据,根据实验数据,选用分离式Hopkinson压杆对TC18钛合金在温度分别为298、523、773、1 023 K,应变率分别为500、1 000、1 500 s~(-1)下进行动态力学性能实验,从而获得TC18钛合金在高温动态压缩条件下的应力-应变曲线,并利用J-C模型对合金在高应变率下的动态塑性本构关系进行拟合,最终建立该合金在高温下的动态塑性本构方程。通过对模型的计算结果分析表明,该模型可以较好地预测TC18钛合金在高温与冲击载荷共同作用下的塑性流变应力。     

基于Gurson模型的镁合金板材温热冲压成形研究

在Gurson损伤模型的基础上,采用有限元数值模拟与温热冲压实验相结合的方法,对镁合金板材温热冲压成形过程中的材料损伤过程进行了预测.考虑了板材的塑性各向异性行为,通过用户自定义材料子程序VUMAT将损伤模型嵌入到有限元软件ABAQUS/Explicit中.采用单轴拉伸试验数据与有限元数值模拟结果进行迭代,确定了Gurson模型所需要的材料参数.使用ABAQUS模拟得到了镁合金板材温热冲压过程中微孔洞的演变及分布规律.通过扫描电子显微镜,对不同温度下的AZ31镁合金板材由孔洞增长和聚合引起的内部损伤演化进行了观察分析.研究结果表明,板材中微孔洞的分布与实验数据相吻合,说明本文所提出的方法可以应用于金属板材温热冲压成形性能预测.      

TC4钛合金三种动态本构模型的对比分析

为研究风扇/压气机叶片在外来物体冲击载荷下的动态响应,需要建立叶片材料的动态本构模型。风扇/压气机叶片广泛采用TC4钛合金制造,研究建立TC4钛合金的动态本构模型具有重要的工程意义。南京航空航天大学胡绪腾等人基于TC4钛合金的应变率和温度相关单轴应力-应变曲线试验数据,优     

TC11钛合金本构关系神经网络模型的建立

利用MATLAB软件建立了反映材料热变形本构关系的神经网络模型,该模型中采用遗传算法优化其权值和阈值提高了网络收敛的稳定性。并采用Themecmastor-Z型热加工模拟试验机上进行的TC11钛合金等温恒应变速率压缩试验获得的试验数据进行训练,建立了TC11钛合金热变形本构关系的BP神经网络模型,并进行了预测,预测误差小于10%。     

钛合金精密加工工艺研究

随着科学的进步生产力的发展,精密加工技术也得到了飞速发展。本文运用ABAQUS分析软件,建立钛合金数值模拟仿真模型,对钛合金精密加工进行仿真模拟研究,实验数据验证钛合金精密加工工艺的可行性。     

钛合金粉末热等静压数值模拟及性能研究

利用大型的有限元软件MSC.MARC对钛合金粉末在热等静压(HIP)条件下的变形和致密化规律进行研究,并以典型的TC4(Ti-6Al-4V)粉末为原材料,以数值模拟为工艺指导,进行TC4粉末材料热等静压成形试验,全面分析了热等静压成形的钛合金材料的微观组织和力学性能。结果表明:粉末冶金Ti-6Al-4V微观组织均匀细密,主要有片状α相和相间β相组成,在颗粒与颗粒的交界处,有等轴α相组织的存在,这种特殊的微观组织导致粉末冶金Ti-6Al-4V材料具有不低于锻件的力学性能。     

半无头轧制超长铸坯均热过程中温度场的数值模拟

利用ABAQUS有限元软件对半无头轧制超长铸坯均热过程中的温度场变化进行了数值模拟。在建模过程中,利用ABAQUS的用户子程序USDFLD和FILM,采用改变材料导热系数和与环境的综合换热系数的方法,模拟了铸坯进入均热炉的过程,使模型的计算量大幅减小,计算结果与现场实测数据吻合较好。计算了拉坯速度分别为4、5和6 m/...     

锻造变形量对TC4-DT钛合金锻件组织与力学性能的影响

TC4-DT钛合金是一种高强高韧损伤容限型钛合金,常被用于新型飞机制造中,而变形量会对该合金的组织产生重要影响,并最终决定其力学性能。为此,本实验以300 mm×180 mm的TC4-DT钛合金棒材为原料,进行3种不同变形量的锻造变形,研究锻造变形量对锻件组织和力学性能的影响。结果表明:变形量太大或太小均会引起锻件内部显微组织不均匀,同时引起锻件不同部位力学性能存在较大的偏差,经综合分析确定TC4-DT钛合金合理的锻造变形量为35%左右。     

Ti-5553合金车削加工性能研究

Ti-5553(Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-0.5Fe)合金具有优异的综合力学性能,正逐步替代TC4(Ti-6Al-4V)钛合金成为高强度航空用工件的制备材料。然而,由于Ti-5553合金机械加工效率低,一定程度上制约了其在航空领域的大规模应用。为此,对Ti-5553合金与TC4钛合金的车削加工性能参数进行了探索,发现在相同的切削速度下,Ti-5553合金的主切削力和吃刀抗力均高于TC4钛合金,且最高切削速度仅为50 m/min。此外,两种合金在切削过程中均会与车刀发生扩散反应,而Ti-5553合金对刀具的磨损更为严重。相信本研究将为后期优化Ti-5553合金的车削加工参数、提高其加工效率提供有利的实验数据支持。     

3150KWB BMO-01型大功率电子束冷床炉熔炼TC4钛合金

通过从乌克兰引进的3150KWB BMO-01型电子束熔炼炉,使用工业纯海绵钛、Al-V中间合金和均匀铝豆经混料后压制成料块进行TC4钛合金熔炼试验,对铸锭进行检测分析、显微组织观察和力学性能测试。结果表明,通过合理的铝元素成分配比,熔炼出的TC4钛合金铸锭各元素含量符合国标要求。     

Prediction of Creep Stiffness of Asphalt Mixture with Micromechanical Finite-Element and Discrete-Element Models

This study presents micromechanical finite-element (FE) and discrete-element (DE) models for the prediction of viscoelastic creep stiffness of asphalt mixture. Asphalt mixture is composed of graded aggregates bound with mastic (asphalt mixed with fines and fine aggregates) and air voids. The two-dimensional (2D) microstructure of asphalt mixture was obtained by optically scanning the smoothly sawn surface of superpave gyratory compacted asphalt mixture specimens. For the FE method, the micromechanical model of asphalt mixture uses an equivalent lattice network structure whereby interparticle load transfer is simulated through an effective asphalt mastic zone. The ABAQUS FE model integrates a user material subroutine that combines continuum elements with viscoelastic properties for the effective asphalt mastic and rigid body elements for each aggregate. An incremental FE algorithm was employed in an ABAQUS user material model for the asphalt mastic to predict global viscoelastic behavior of asphalt mixture. In regard to the DE model, the outlines of aggregates were converted into polygons based on a 2D scanned mixture microstructure. The polygons were then mapped onto a sheet of uniformly sized disks, and the intrinsic and interface properties of the aggregates and mastic were assigned for the simulation. An experimental program was developed to measure the properties of sand mastic for simulation inputs. The laboratory measurements of the mixture creep stiffness were compared with FE and DE model predictions over a reduced time. The results indicated both methods were applicable for mixture creep stiffness prediction.     

大口径TC4钛合金管材的挤压组织与性能

采用16.3 MN卧式挤压机对TC4钛合金管材进行热挤压,研究了热挤压后管材不同部位的显微组织和力学性能。结果表明,TC4钛合金通过挤压变形可以获得均匀、细小的两相区加工组织。沿管材壁厚方向,外壁、中心和内壁的晶粒尺寸逐渐变大。但沿管材纵向,头部、中部、尾部的晶粒尺寸基本一致,这种组织均匀性保证了管材头、中、尾不同部位具有均匀一致的力学性能。     

Application of Graded Finite Elements for Asphalt Pavements

Asphalt paving layers, particularly the surface course, exhibit vertically graded material properties. This grading is caused primarily by temperature gradients and aging related stiffness gradients. Most conventional existing analysis models do not directly account for the continuous grading of properties in flexible pavement layers. As a result, conventional analysis methods may lead to inaccurate prediction of pavement responses and distress under traffic and environmental loading. In this paper, a theoretical formulation for the graded finite element method is provided followed by an implementation using the user material subroutine (UMAT) capability of the finite element software ABAQUS. Numerical examples using the UMAT are provided to illustrate the benefits of using graded elements in pavement analysis.     

硼对TC4／B钛合金铸造组织与性能的影响

采用熔铸工艺法制备了含B量为0．2％-1．0％的TC4／B钛合金,分析并测试了合金的铸态组织和力学性能。研究结果表明：TiB相提高了TC4／B钛合金铸棒的弹性模量,B元素添加量为0．2％～1．0％范围内,合金弹性模量提高15％～30％;显微组织由片层α、晶界β及第二相（TiB）组成,第二相（TiB）聚集在卢晶界上呈链状分布,随B含量增加,显微组织细化效果越明显。由拉伸断口分析可知,随着B含量增加合金由典型的延性沿晶断裂向混合型断裂转变。     

制备工艺对大型TC4钛合金环件组织和性能的影响

应用马架扩孔、马架扩孔+环轧和完全环轧三种工艺制备TC4钛合金大型环件,分析不同制备工艺下合金的显微组织和力学性能。研究结果表明,不同制备工艺获得的TC4钛合金大型环件的显微组织几乎没有差别,无论哪种工艺制备的TC4钛合金环件都呈现等轴组织,且不同部位的显微组织一致均匀。综合考虑三种工艺获得的环件的室温和高温性能,推荐采用马架扩孔+一火次环轧的制备工艺,通过该工艺获得的环件的室温和高温力学性能均可达到较好水平。     

退火制度对TC25钛合金棒材组织和力学性能的影响

研究了不同退火制度对TC25钛合金棒材显微组织和力学性能的影响。结果表明：TC25钛合金棒材组织随退火温度的升高逐渐由等轴组织转变为双态组织,经920~940℃/1 h AC＋550℃/6 h AC双重退火处理后获得等轴组织,经960~980℃/1 h AC＋550℃/6 h AC双重退火处理后获得双态组织。TC25钛合金棒材的较佳热处理温度为960~980℃/1 h AC＋550℃/6 h AC,经该制度处理后棒材的室温拉伸性能和高温（500℃）拉伸性能均优良。