钛合金复杂大件等温局部加载成形组织演变研究

正钛合金大型复杂整体构件等温局部加载成形技术,能够解决航空航天用高性能轻量化构件成形制造难题,是迫切需要研究发展的先进塑性成形技术。实现成形成性一体化制造不仅是满足实际工程领域对构件服役性能苛求的关键,也是高性能轻量化构件精确成形的主要发展趋势和研发的前沿。微观组织对性能的决定性作用使如何控制组织成为该成形工艺研究发展与应用迫切需要解决的重要问题。然而,局部加载是多模具、多参数、多场耦合作用下的高度非线性复杂物理过程,使得微观     

[成形过程仿真优化与集成计算材料工程]钛合金热成形工艺形变与组织演变耦合多尺度仿真研究进展

讨论了钛合金高温变形晶体塑性有限元模拟的研究进展,并分析了晶体塑性模型在钛合金细观尺度不均匀变形和组织演化方面的应用;围绕钛合金热成形过程变形与组织演变耦合模拟需求,讨论了钛合金高温成形统一黏塑性本构模型的发展过程,并介绍了统一黏塑性本构模型在钛合金热成形工艺的应用实例。统一黏塑性本构模型考虑了钛合金高温变形过程中回复、再结晶、相变、损伤等组织演变行为与宏观应力应变之间的耦合作用,为实现钛合金构件形状尺寸和组织性能的精确预测和成形工艺优化提供了有效的手段。最后分析了钛合金热成形工艺多尺度建模仍存在的问题,并展望了多尺度建模的发展趋势。     

基于虚场法的铝合金各向异性屈服及硬化属性参数同步表征

变形铝合金板材因轻质、高比强和比模量等优点广泛应用于航空航天工业中,其轧制生产过程引起的塑性各向异性可显著影响板材的变形行为,加大零部件成形精度控制和服役行为数值模拟预测的难度。针对目前常规测试方法表征材料各向异性屈服及各向异性塑性硬化属性所需试验数量多、种类复杂、限制条件多的现状,结合全场变形测量和虚场法,通过一种桥型试件的循环拉伸-压缩试验,首次实现2024铝合金板材各向异性屈服与塑性硬化本构参数的同步表征,大幅减少试验数量,简化试验过程。研究表明,采用当前的加载构型,在参数优化目标函数中结合材料0°和90°两个拉伸加载方向的试验数据,并配合多虚场约束,可以在不同参数表征初始猜测值下产生稳定的Hill1948各向异性屈服参数表征结果,保证解的准确性;对于非线性运动硬化模型,采用单材料方向加载和单虚场的目标函数即可获得对应材料方向稳定可靠的非线性运动硬化参数表征结果。研究成果可为铝合金板材成形工艺分析提供理论依据、数据参考和便捷的测试技术支持。     

开拓塑性成形制造极限共性关键理论及其实践——解读Deformation-based Processing of Materials: Behavior,Performance, Modeling,and Control

随着航空、航天、能源、汽车、电子产品和生物医学工程等领域的持续发展,迫切需要其高端装备关键构件具有高性能、轻量化和高功效等特性,同时要求缩短产品设计开发周期、降低生产成本和实现绿色、智能制造。基于变形特有的体积转移和组织调控优势的材料加工技术即塑性成形方法,具有生产效率高、生产成本低、材料利用率高、产品性能好、服役性能强和产品技术附加值高等优点,成为先进制造领域的基础支撑技术,也是成形制造高端装备关键构件不可替代关键生产工艺。Deformationbased Processing of Materials:Behavior,Performance,Modeling,and Control一书围绕材料变形中宏微观成形缺陷预测和控制这一制约成形精度和极限的关键共性问题,从非均匀变形、损伤断裂、压缩失稳、回弹、表面粗化、流动缺陷、微结构异常缺陷7个方面,系统阐述了材料不均匀变形的现象和机理、材料和成形过程多尺度建模仿真优化,并通过案例阐述了新提出的理论和技术在实际中的应用情况,最后讨论了基于变形的材料加工技术的发展趋势及面临的挑战。     

面向数字成形制造的高精度模拟计算技术

在中国国家自然科学基金资助项目《工程中数值分析的复杂力学建模与高精度方法》、中国国家自然科学基金资助项目《精确成形制造中的高梯度特征建模与典型工艺分析》，以及中国教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目《塑性微成形中复杂力学行为的两尺度耦合建模研究》共同资助下，开展高精度数值模拟方法的研究，对以上研究取得的成果进行学术总结。 认为数字成形制造的研究发展方向是：(1)数字成形制造的共性基础性问题研究，包括多场和多尺度耦合、高度非线性和高梯度、时间和构形的动态过程、局部精细和大规模计算、计算的可靠性；(2)数字成形制造过程的典型特征原型及建模，包括材料成形过程中的宏/微观、性能/组织等多场特征原型，固态塑性成形、液态及半固态成形、焊合过程的特征计算建模，典型制造过程(塑性成形、液态及半固态成形)模型的大规模数值计算方法；(3)基于网络的数字成形制造平台，包括基于网络实现成形制造数字化的基础问题研究，计算信息的数据管理与网络通信技术，基于网络的大规模平行计算实现(分布式和超级计算机)。     

集成计算材料工程在精确塑性成形中的应用现状与发展趋势

集成计算材料工程通过模型化与计算实现对材料制备、加工和服役等过程的定量描述,成为实现力、热、电、磁、声场等单一/耦合外场作用下高性能构件精确塑性成形先进而有效的研究手段,近年来在精确塑性成形领域得到越来越广泛的应用。对集成计算材料工程在塑性成形过程多尺度建模、起皱和破裂两类缺陷预测方面的相关研究现状、主要进展及未来发展趋势进行了综述。首先论述了宏观、细观和微观三个尺度的模型在精确塑性成形领域中的应用现状,并分析了不同尺度模型间信息的传递方式;在此基础上讨论了利用集成计算材料工程研究制约精确塑性成形的起皱和破裂两类典型缺陷的预测方法,对比分析了目前主要的失稳起皱与损伤断裂模型的准确性;最后对集成计算材料工程在精确塑性成形中的未来发展趋势进行了展望。     

[成形过程仿真优化与集成计算材料工程]集成计算材料工程在精确塑性成形中的应用现状与发展趋势

集成计算材料工程通过模型化与计算实现对材料制备、加工和服役等过程的定量描述,成为实现力、热、电、磁、声场等单一／耦合外场作用下高性能构件精确塑性成形先进而有效的研究手段,近年来在精确塑性成形领域得到越来越广泛的应用。对集成计算材料工程在塑性成形过程多尺度建模、起皱和破裂两类缺陷预测方面的相关研究现状、主要进展及未来发展趋势进行了综述。首先论述了宏观、细观和微观三个尺度的模型在精确塑性成形领域中的应用现状,并分析了不同尺度模型间信息的传递方式;在此基础上讨论了利用集成计算材料工程研究制约精确塑性成形的起皱和破裂两类典型缺陷的预测方法,对比分析了目前主要的失稳起皱与损伤断裂模型的准确性;最后对集成计算材料工程在精确塑性成形中的未来发展趋势进行了展望。     

成形过程材料特性变化对整车耐撞性的影响研究

为研究冲压成形中材料特性变化对整车耐撞性产生的影响,选取某款SUV车100％正面碰撞中的关键吸能部件,利用网格映射技术将成形仿真结果即塑性应变、厚度不均等作为碰撞仿真分析的初始条件,进行引入成形工艺因素的整车耐撞性分析,并与传统的碰撞仿真结果进行对比.研究表明:塑性硬化提高了结构的刚度,可能会导致结构变形模式发生改变;成形过程中材料特性的变化对结构的变形、吸能和加速度影响很大,在碰撞仿真中需要引入成形因素,以提高仿真的精度.     

转向螺母多向联动加载成形工艺研究

转向螺母是汽车上复杂异形非圆齿形零件,结构形状复杂,需要多个方向产生变形,各部分变形量不同,成形难度大。在分析其结构形状特点和成形难点的基础上,提出了多向联动加载成形工艺。该工艺在成形过程中,各凸模加载顺序、速度、行程根据材料流动和充填情况进行联动控制,控制材料主动向需要的地方流动和填充,进而提高材料充填性和降低成形力。利用有限元软件对该工艺成形过程中的金属流动规律、材料填充状况、应力分布、成形力进行了数值模拟分析。对转向螺母的多向联动加载成形工艺和顺序加载成形工艺进行了对比分析,多向联动加载成形工艺比顺序加载成形工艺成形力降低了28%。对多向联动加载成形工艺进行了成形试验,成形出的转向螺母充填饱满,尺寸符合图纸要求,未出现锻造缺陷,并进行了小批试制。试验结果表明该工艺具有可行性和实用性。     

汽车异径三通管成形数值分析及试验研究

管材胀形技术是一种减重、节材、节能,且广泛应用于汽车零部件的制造技术.为研究该异径三通管的变形机制和各工艺参数的影响,基于ABAQUS软件对异径三通管进行了数值仿真,分析了成形工艺参数(过渡区圆角、摩擦因数、轴向进给加载路径)对支管高度、壁厚分布及成形载荷的影响,并对异径三通管成形工艺参数进行了优化;应用塑性有限元方法...     

波纹管成形过程的数值模拟

波纹管的成形是管坯在压缩和弯曲的应力下的弹塑性变形,变形过程既有材料非线性还有几何非线性,变形过程较为复杂,同时也会引起管坯的回弹、破裂等问题。该文通过有限元软件ANSYS,仿真分析波纹管的成形过程,模拟出波纹管成形过程中应力分布情况以及波纹管的成形极限,为指导和优化成形工艺提供重要的分析依据。     

板料超塑胀形过程仿真及其应用

板料超塑胀形通常需要高温密闭环境,测试分析困难。本文在刚粘塑性有限元法的基础上开发了超塑胀形计算机仿真系统。应用仿真系统可对材料变形过程进行动态仿真,预测成形件壁厚分布,优化确定成形压力 时间曲线,为成形工艺设计提供有效分析工具。文中给出了“碗”形零件气压胀形仿真实例。     

盒形件充液拉深成形工艺优化及试验研究

本文主要研究充液拉深成形技术在复杂异形长法兰类盒形件成形过程中的应用,首先对该类零件的材料进行了力学性能和成形性能测试分析,获取材料的成形极限,确定了充液拉深成形方案;建立了盒形件的有限元仿真模型,模拟了盒形件在充液拉深成形过程中材料的壁厚变化情况,通过成形缺陷分析对关键工艺参数低压充液时间TLP、整形时间TIP、最大压边力Fmax、液体流速Vel％,最大成形力Pmax及时效时间Tw等进行了重新设计,并通过数值模拟和试验验证相结合的方法优化了工艺参数;最终,完成了盒形件充液拉深成形流程再造,确定出最优的工艺参数,并成功实现盒形件的充液拉深成形,使其制造效率和产品质量大幅提升,为低塑性、难变形材料盒形件的批量制造奠定了工艺基础.     

金属PM塑性成形机理及实验装置的研究

金属PM塑性成形技术是指金属在进行塑性成形时，除给工件加正压力（P）外，同时再施加一定的扭转力矩（M），由于PM复合加载同时作用在制件上，可以极大地提高工件塑性变形程度，并且大大降低工件变形力，这种变形方法称之为PM塑性成形。金属PM塑性成形技术是一种新工艺，而实现该工艺需研制相应的装备。国内在这方面的研究刚刚起步，一旦研究成功，就可用小吨位的设备成形大的金属制件。该项成果主要内容：1研制了一台可供试验用的PM塑性成形装置。2．对PM塑性成形工业实用装置进行了方案设计。3．通过对铝、铜、钢三种材料进行正压…     

多目标质量的粉末包套等通道挤扭成形致密工艺参数优化

剧烈塑性变形法—挤扭以剪切塑变为主变形方式,成形工艺复杂,影响因素很多,难以精确地建立工艺参数与成形质量之间的关系;选取优化合理的工艺参数匹配是材料尤其是粉末材料成形无破裂、塑性好、致密化程度高等成形质量的关键。以等通道横截面扭转角、螺旋角、摩擦因子、挤压速度、初始相对密度为自变量,正交试验为设计方案,对纯铝粉末烧结材料进行一道次包套等通道扭挤数值模拟,获得以等效塑性应变、静水压力、最大损伤值、相对密度数据,通过层次分析法计算多质量目标的权重,运用追踪点法和灰色系统理论的灰色关联度优化工艺参数,使设计目标值达到等效应变最大、静水压力最大、最大损伤值最小、相对密度最大。模拟和试验结果表明,运用多目标优化组合参数进行等通道挤扭成形能使纯铝粉末体材料迅速地形变累积,静水压力提高,损伤值显著地减小,致密效率高,晶粒明显细化,提高了材料综合质量。     

星形套冷挤压成形有限元方法研究

利用高级非线性软件MSC．Marc，采用弹塑性热机耦合分析对行星套冷挤压过程进行了模拟，得出了塑性成形的流动规律和模具的应力分布，比较了不同建模方法对模拟结果的影响，比较全面地阐述了冷挤压塑性成形的有限元仿真技术。研究结果对冷挤压成形的有限元仿真以及塑性成形工艺控制和提高模具寿命具有指导意义。     

大型折弯成形成套装备虚拟实验平台的设计

针对大型折弯成形成套装备折弯加工过程及其工艺特点,通过对虚拟场景建模、虚拟设计与制造、材料变形建模、数据采集处理、网络通信等先进技术的集成,设计构建一个半实物仿真的大型折弯成形成套装备虚拟实验平台,该平台能够实现三维动态虚拟仿真折弯成形的过程,可以对大型折弯成形成套装备进行虚拟设计、制造、装配、实验等。研究工作对提高我国大型折弯成形成套装备的技术水平以及对其他大型机电成套装备的研制具有参考的价值。     

铝型材多点三维拉压复合弯曲成形工艺

轻量化薄壁型材三维弯曲结构件是高端装备制造业中一种难成形加工的关键零部件。针对此类制件的高精度、低成本的成形需求,提出一种拉弯-压弯相结合的铝合金型材三维弯曲成形工艺,设计多点联动的拉压复合成形单元体结构,通过水平方向由夹钳带动拉弯,垂直方向由各单元体上液压执行机构压弯,实现"W"形三维弯曲零件的成形,并研制成形装备样机。建立分析成形过程及回弹预测的数值仿真模型,通过试验对模型的有效性进行验证,仿真结果与试验结果回弹变形一致,回弹预测最大误差小于15%。此外,研究拉力对矩形截面型材拉压复合成形件回弹变形的影响规律,预拉伸力较补拉伸力对成形件的回弹减小趋势更为明显,当预拉伸力从零达到临界塑性应力Aσ_s时,总回弹减少了26.81%,为保证成形件不发生截面畸变和破裂等成形缺陷,确定了预拉伸力为Aσ_s、补拉伸力为0.3Aσ_s的最优工艺参数。所提出的多点三维拉压复合弯曲成形工艺解决了W形一类型材传统三维拉弯无法实现的多向曲率半径复杂弯曲成形的技术难题,为实现镜面对称结构件的成对一次成形提供了一种新方法。     

板材充液拉深动态加载系统开发与应用

液室压力和压边力加载路径是充液拉深工艺中决定零件成形质量的关键工艺参数。针对传统被动加压方式加载路径单一,液室压力较低,不能满足复杂结构零件和高强度材料的成形要求,提出采用闭环控制技术实时调节液室压力和压边力的动态加载方式。设计可控压边和高压增压系统,并应用基于上、下位机的检测控制系统实时调节凸模速度、压边力和液室压力满足设定的工艺参数。在动态加载系统上进行异型结构不锈钢零件的充液拉深试验,动态加载路径下试验件一次整体成形,且表面质量好,贴模精度高。结果表明,充液拉深动态加载系统能够实现复杂加载轨迹和局部高压,适用于复杂结构和高强度材料零件的成形制造。     

称重传感器误差标定装置设计

针对目前称重传感器误差检测装置存在的若干问题,设计了一种高性能称重传感器误差标定装置。运用自上而下的设计理念,采用虚拟样机技术,对各个零部件进行建模设计,并将所有零部件进行了虚拟装配。利用有限元分析技术对关键零部件气缸砝码组机构承受极限外部荷载时的强度、刚度进行校核分析。设计了加载量程大、测量精度高、工人劳动强度低的传感器误差标定装置,其具有快速稳定加载的特点。