SLM成形薄壁件尺寸偏差预测与控制研究

目的 针对选区激光熔化成形薄壁件过程中存在的变形较大、精度低等问题,通过获得最优工艺参数区间来减小薄壁件的变形。方法 利用有限元软件分析薄壁件成形过程中温度场和应力场的演化规律;建立形变量预测模型并进行试验验证,研究工艺参数对薄壁件尺寸偏差的影响,得到激光功率、扫描速度与形变量之间的关系,实现对形变量的预测和控制。结果 随着扫描层数的增加,熔池的最高温度和热影响区也随之增大,等温线越密集,温度梯度越大,最终趋于稳定;薄壁件成形过程中,出现两侧壁边缘向内倾斜、上侧边缘出现内凹的现象,薄壁件的最大应力随层数的增加而减小,最大热应力主要分布在薄壁件底层的两端;形变量随激光功率的增大而增大,随扫描速度的增大而减小,薄壁件的形变量最小约为0.02 mm;试验验证所建立的数学模型误差在10%左右,误差较小,可以对形变量进行良好的预测和控制。结论 激光功率100～200 W、扫描速度800～1 000 mm/s为最优参数区间;降低能量密度可以有效降低薄壁件形变量,提高其精度。     

半连续铸造AZ31B镁合金连续热轧变形行为的数值模拟

在DEFORMTM软件平台上采用热/力耦合刚塑性有限元法,结合生产实际的压力加工工艺,对半连续铸造AZ31B镁合金11个道次的连续热轧变形过程中应力场、应变场与温度场的变化规律进行数值模拟.结果表明:变形过程中AZ31B镁合金变形体内的应力、应变和温度沿试样厚度方向分布不均匀.在该合金铸锭表面与轧辊接触的部位具有较高的应力,引起表面的应变增大,而铸锭中心部位的应力相对较小,应变也较小.在连续的每个道次的热轧过程中,轧辊与铸锭刚接触时接触部位的应力最大,轧制中期,应力变化不大,轧制后期应力明显减小;第9道次变形后,等效应变沿试样厚度方向分布变得较均匀;随着轧制道次的增加,变形区域内的应力逐渐增大.对比AZ31B合金样品多道次热轧行为的实验模拟和数值分析可知,实验结果与数值模拟结果能较好吻合,在较低应变速率(0.01,0.1s-1)条件下,合金的塑性变形流变应力随着道次的增加逐渐增大并出现一个稳态阶段;在较高应变速率(5,10s-1)条件下,变形的前3道次的加工硬化严重,随后有一个明显的道次间的退火软化阶段.     

高温下拉制毛细管热力耦合场数值模拟

目的:研究加热炉温度和拉伸力对管坯拉制成型的影响。方法:利用有限元数值模拟软件,建立管坯有限元模型,基于顺序耦合热应力分析法对管坯在高温无接触拉制情况下的成型过程进行数值模拟分析。结果:分析出1 200℃时加热炉炉内不同位置处不同时间点的温度场,并得到不同拉伸力和加热温度下管坯的外径(R_1)、内径(R_2)和应力状态变化情况。结论:随着加热炉内的温度升高,管坯的内外径逐渐变小,外表面的Mises应力逐渐增大,拉伸颈区提前出现;拉伸力的增大对管坯内外径减小的效果较为明显,拉伸颈区也随之提前出现,外表面的Mises应力增加幅度较大。本文的数值模拟结果可以为后续管坯拉制工艺参数的选择提供有效的参考。     

大挤压比薄壁件复合挤压成形工艺过程的数值模拟

采用等温复合挤压工艺成形大挤压比薄壁件,并应用DEFORM对大挤压比薄壁件的复合挤压过程进行有限元数值模拟,分析成形过程中的变形力及金属流动规律.根据模拟得到的应力场、应变场、速度场及加载变化等,也可预测大挤压比薄壁件复合挤压变形时产生的缺陷.     

工艺参数对AZ31镁合金往复挤压过程的影响

运用刚黏塑性有限元法对不同工艺参数下的AZ31镁合金往复挤压过程进行了热力耦合数值模拟,研究了不同初始坯料温度、挤压速率和摩擦因数对往复挤压过程中等效应变、等效应力及温度场的影响。结果表明:在往复挤压过程中,挤压速率对等效应变峰值影响不大,随着挤压速率的增大,工件内温度峰值直线上升,温度分布不均匀程度增大,应力峰值先增加后减小;随着初始坯料温度升高,等效应力峰值呈直线趋势减小;摩擦因数对温度峰值的影响很小,随着摩擦因数的增大,等效应变峰值先增大然后趋于平稳,等效应力峰值增大,其增大幅度减小。     

高强钢22MnB5扭力梁热成形热力耦合数值模拟

为了探究高强钢管22MnB5热气胀成形V型截面扭力梁的工艺,采用热力耦合数值模拟的方法研究了高温成形时扭力梁温度场、应力场、应变场、壁厚分布规律以及成形精度.研究发现:成形结束时,由于温度场分布的差异,各个区域材料流变性能不同,因此,最大主应力位于温度场较低区域,最大主应变位于温度场较高且膨胀量较大区域;随着试件初始温度的提高,成形后试件最低温度和最大减薄率均增大,成形精度提高;随着摩擦系数的增大,成形后试件最大减薄率增大.研究表明:当初始试件温度为850℃、摩擦系数为0.1、整形气压20 MPa时,成形后得到成形精度较高,最大减薄率为14%的试件,且成形后最低温度为499℃,高于马氏体开始转变温度.     

初锻温度对导套模锻成形影响规律的分析

目的通过数值模拟,找到合理的初锻温度,使导套在合理的工艺参数下更好成形。方法结合Deform软件对导套的成形过程进行数值模拟,重点分析了零件在冷挤压成形过程中的应力场、应变场的变化情况。结果通过模拟确定出了合理的初锻温度。结论导套在1000℃的初锻温度下的成形效果最好。     

基于ABAQUS的铸态耐热合金钢热挤压成形数值模拟研究

目的以大口径厚壁管短流程铸挤成形工艺为背景,通过ABAUOS有限元模拟软件研究铸态T/P91合金钢热挤压过程中的变形情况。方法对软件进行二次开发,采用热力耦合分析,研究不同热挤压条件下挤压过程中应力场、应变场及成形件动态再结晶率的变化,最终得出有利于指导工业生产的热挤压工艺参数。结果模拟结果表明:应力和应变随时间不断增大,增长率在凹模锥角区达到最大值,当材料在挤压力作用下流出挤压筒后,应力不断减小而应变趋于稳定;以成形件流出挤压筒时的径向截面为参考,动态再结晶率分布为中心高两边低,且随着挤压比、初始挤压温度和挤压速度的增大,成形件整体动态再结晶率差别降低;挤压速度越大,成形件应力分布越不均匀。结论铸态T/P91合金钢热挤压最优工艺参数为:初始挤压温度为1150~1200℃,挤压比为9,挤压速度为25 mm/s。     

基于Morris方法的纤维复合材料结构件固化均匀性的全局灵敏度分析

纤维增强树脂基复合材料结构件的残余应力问题是制约其在航空航天、汽车和建筑领域大规模应用的关键问题。复合材料固化过程中温度场和固化度场的非均匀性是引起残余热应力和固化收缩应力的重要因素。为了探讨纤维复合材料结构件在固化成型过程中固化工艺温度、热传导系数、对流换热系数及结构件厚度对固化均匀性的敏感程度,采用数值模拟分析了这4个关键参数对温度场和固化度场均匀性的影响规律。模拟结果表明:升高固化工艺温度,复合材料温度场的非均匀性增大,固化度场的非均匀性减小;增大对流换热系数和热传导系数,复合材料温度场和固化度场的非均匀性减小;增加复合材料结构件的厚度,复合材料温度场和固化度场的非均匀性增大。在此基础上,应用Morris全局灵敏度分析方法对4个关键参数对复合材料固化均匀性的影响程度进行定量分析,得到固化均匀性的影响因素按灵敏程度由大到小的顺序为:结构件厚度、热传导系数、固化工艺温度、对流换热系数。     

土体冻融过程中水、热、力三场耦合本构问题及数值分析

根据传热学、渗流理论及冻土力学提出了带相变的温度场、水分场和应力场耦合问题的数学力学模型及其控制方程。利用自行开发的程序进行数值模拟,加入我们推出的本构关系和所建立的数学力学模型,通过对冻土路基水分场、温度场、应力场三场的数值计算结果分析,得到了准确、详尽的符合实际的温度场与应力场、位移场、应变场耦合的计算结果。     

钛合金多向锻造数值模拟

目的研究TC4钛合金在多向锻造过程中的变形行为。方法基于Deform-3D模拟软件平台,对钛合金的多向锻造变形过程进行有限元模拟分析,研究不同工艺参数(锻造温度、锻造速度、锻造工步)下合金最大主应力、等效应变和载荷最大值的变化规律。结果多向锻造的每工步锻造为典型的镦粗过程,坯料中心部位一直受压应力作用,鼓肚处则出现最大拉应力。随着锻造温度的升高和锻造速度的减小,最大压应力和拉应力均减小,多工步锻造之后合金主应力场分布更加均匀。随着锻造工步的增加,坯料等效应变增大且中心大变形区域体积分数增加。最大载荷随锻造温度的升高和锻造速度的降低而减小,相同参数下不同锻造工步的载荷最大值变化不大。结论锻造温度、锻造速度、锻造工步对TC4钛合金多向锻造变形行为有显著的影响,适当选择多向锻造工艺参数,可以降低载荷并获得均匀性较好的坯料。     

焊接参数对TC4薄板焊接过程的影响

目的 揭示焊接参数对TC4薄板焊接过程中温度场、位移场及应力场的影响规律。方法 基于有限元（FEM）模拟方法,运用Fortran语言对焊接热源及焊接参数进行定义,以模拟不同焊接参数下TC4薄板的TIG对接焊过程。结果 在稳弧阶段,温度场为一组以焊接方向为长轴的椭圆,且存在温度梯度,随着焊接速度的增大,温度场峰值、温度场温度梯度、熔池宽度和熔池体积逐渐减小,而焊接效率和焊接电流对温度场的影响与焊接速度刚好相反;随着焊接速度的增大,薄板最大变形量逐渐减小,焊接角变形及挠度变形逐渐得到改善,而焊接效率和焊接电流对位移场的影响与焊接速度刚好相反。在稳弧阶段,焊缝位置的残余应力为拉应力,两侧为压应力,随着焊接速度和焊接电流的增大,纵向残余拉应力逐渐增大,焊缝处高应力集中区的宽度逐渐减小,而焊接效率对应力场的影响与焊接速度刚好相反。在高焊接速度、中等焊接效率、低焊接电流参数条件下,可获得熔池体积小及熔池宽度窄的焊缝,有利于减小焊后残余应力与变形。结论 上述研究结果可为TC4薄板的焊接过程提供一定的理论指导。     

镍基高温合金微型涡轮盘热塑性成形工艺

目的 研究GH4698微型涡轮盘热塑性成形工艺。方法 采用有限元软件Deform-3D对镍基高温合金微型涡轮盘模锻过程进行数值模拟分析,研究坯料不同高径比、不同模锻温度下涡轮盘成形的最大载荷值、等效应力、等效应变、速度场的变化规律。结果 微型涡轮盘模锻过程载荷最大值随模锻温度升高而降低,温度和高径比对涡轮盘的凸台、直榫等部位的等效应力、等效应变影响有明显的差异。在涡轮盘路径1上,随着温度的升高,等效应力逐渐降低,变形更加均匀;随着高径比的增加,变形不均匀程度增大,高径比为1时等效应力的极大值最小;温度和高径比对速度场的影响较小。结论 温度和高径比对GH4698微型涡轮盘锻造变形行为有显著的影响,选择合适的模锻工艺参数可以有效降低成形载荷,并获得使用性能较好的微型涡轮盘。     

Deformation of titanium alloy Ti–6Al–4V under dynamic compression

Deformation localisation is the main reason for material failure in cold forging of titanium alloys and is thus closely related to the production yield of cold forging. Recent research has revealed that the width of shear band of titanium alloys after dynamic compression is related with their static and dynamic mechanical properties and processing parameters. To explore the influences of these factors on titanium alloys in dynamic compression, the distributions of stress, strain, strain rate and temperature of the specimens over the macro and microscales have been systematically studied. This work can be beneficial to process parameter optimisation and material designing for cold forging. In the study of the influence of process parameters on dynamic compression, considering material constitutive behaviour, physical parameters and process parameters, a numerical dynamic compression model for titanium alloys has been constructed. The entire dynamic compression process is simulated and a good agreement with experiments is observed. By extracting and comparing the stress, strain and temperature distribution under prescribed conditions, the effects of friction and compression velocity on the macrostate and distribution of strain and stress of compression samples are studied. Friction and compression rate are important factors influencing the spread and the stress state of deformation localisation zone. When friction is reduced to a certain level, deformation localisation can be effectively alleviated. The increase of friction and compression rate can lead to early appearance of tension stress in the deformation localisation zone, which may explain the experimental finding that crack tendency increases with higher compression rate and poorer lubrication. By adjusting the process parameters, the severity of strain localisation and stress state in the localised zone can be controlled thus enhancing the compression performance of titanium alloys.     

倾斜薄壁增材过程中基板的热应力数值模拟

利用电弧增材制造技术加工倾斜薄壁时,循环热力效应下,熔覆层与基板结合处应力较为集中,易导致基板变形翘曲,严重影响零部件的成形。为了明确增材倾斜薄壁不同层间偏移量和不同基板厚度下基板的热应力演化,本文采用不锈钢焊丝在Q235基板上进行沉积试验,利用COMSOL建立有限元模型,分析基板横向温度梯度和等效应力的变化。结果表明,基板的横向温度梯度在熔覆层边缘达到最大值,在距离熔覆层中心超过5 mm后趋于最小值;随着层间偏移量的增大,基板的横向温度梯度最大值逐渐减小,但基板上的等效应力逐渐增大;随着基板厚度的增加,基板的横向温度梯度最大值逐渐减小,同一测量点的横向温度梯度和等效应力也随之减小。因此,在倾斜薄壁增材中,不同的层间偏移量主要影响基板上横向温度梯度的分布和熔覆层与基板结合处的等效应力,更大厚度的基板能够有效减小基板上的横向温度梯度,从而减小变形,这对于增材初期倾斜薄壁结构中基板的变形控制具有一定的参考意义。     

AZ31 镁合金轧制-剪切-弯曲变形工艺数值模拟研究

目的研究温度和道次压下量的变化对AZ31镁合金轧制-剪切-弯曲变形工艺的影响规律。方法对AZ31镁合金轧制-剪切-弯曲变形过程进行数值模拟,探究变形过程中应力、应变分布规律。结果压下量越大,模具转角处累积的等效应变值越大;随着温度的升高,模具转角处等效应力逐渐减小,等效应变逐渐增大。结论试样在模具转角处发生了剧烈的塑性变形,研究结果为板材的制备提供了依据。     

室温多向压缩道次变形量对AZ80镁合金力学性能影响

目的 探明室温塑性变形对AZ80塑性、硬度及最大应力等力学性能的影响规律,为其成形工艺参数制定提供依据。方法 对挤压态AZ80镁合金均匀化处理后,在室温下控制道次变形量(0.05、0.075、0.1)及累积应变进行多向多道次压缩变形;利用力学试验机和维氏硬度计分析道次变形量与累积应变对其力学性能的影响。结果 在室温下,当AZ80镁合金单向压缩的真应变达到0.124时会发生开裂,通过小应变多向多道次压缩可以将累积应变至少提高至3.6以上。在道次变形量为0.05、0.075和0.1时,累积应变分别可达到7.5、6和3.7;在累积应变为3.6时,随着道次变形量的增加试样硬度(HV)分别达到94、110和121,较未变形试样硬度(70HV)分别提升了33%、57%和73%。结论 AZ80镁合金通过室温多向多道次压缩有利于改善材料塑性,提高力学性能。其塑性随着道次变形量的减小而提高,硬度和最大应力随道次变形量和累积应变的增加而升高,且道次变形量比累积应变对硬度和最大应力的影响更大。     

固相回收SiCp/ZK60镁基复合材料的高温压缩变形行为

在温度为360~450℃、应变率为0.001~1s-1的变形条件下,采用Gleeble-1500D热模拟机对固相回收SiC_p/ZK60镁基复合材料的高温压缩变形行为进行研究。结果表明:固相回收SiC_p/ZK60的流变应力随变形温度的升高而降低,随应变率的升高而升高,且随应变的增加,流动应力很快达到峰值,然后逐渐趋于稳定。固相回收SiCp/ZK60热压缩变形应力指数为3.348,变形激活能为64.97kJ/mol,其高温压缩流变应力模型为ε'=4.69×104[sinh(0.051σ)]3.348exp(-64790/(RT));本试验条件下,固相回收SiC_p/ZK60的流变应力模型可以用Zener-Hollomon参数的双曲线函数形式进行描述。     

电连接器接触件应力场的数值分析与试验验证

利用ANSYS对某型号电连接器接触件应力场进行分析,以寻找应力变化规律.对接触件应力场分布特点、插孔形变、接触压力随温度升高的变化规律进行了仿真研究,并进行数据分析与接触压力的试验验证.结果表明:随着温度升高,插孔最大形变量增加,最大接触压力和接触压力区域都有所减少;尺寸较小的接触件插孔槽缝底部最大等效应力随温度升高增幅较大,交变载荷作用时易出现疲劳、破裂等,属产品失效薄弱点.通过分析得知最大等效应力值随温度上升而变化的趋势取决于温度软化效应和热应力增强作用的综合结果;仿真结果能较好地反映电连接器的工作应力状态,接触压力试验验证了有限元仿真方法的可行性.