变摩擦正反向超塑成形壁厚均匀的TC4钛合金深筒形件

1C4钛合金深筒形件厚度精度要求为(1.6±0.2)mm,据此设计了多种预成形模形状,采用MARC有限元模拟研究不同形状预成形模对最终深筒形件侧壁厚度分布的影响规律及不同预减薄区域的作用.分析预成形模和终成形模的表面摩擦系数分别对成形件壁厚分布的影响,并提出模具型面变摩擦控制厚度分布的方法.结果表明:预成形模对于板料压边部分环形带区域和筒形件底部区域的局部预减薄,对最终侧壁的厚度分布有非常大的改善.同时,合理地增大预成形模的表面摩擦能显著增加预成形的局部减薄作用,对于提高工件最终壁厚分布的均匀性有利.减小终成形模的摩擦,可以使板料趋于整体变形,壁厚分布趋于均匀.根据模拟结果,采用机械加工方法增加预成形模表面摩擦系数,在终成形模表面喷涂BN润滑剂降低摩擦系数.最后,通过正反向超塑成形试验制得厚度分布在1.50～1.78mm范围内的TC4钛合金深筒形件.     

内壁含轴向凹坑缺陷压力容器加载过程热弹塑性效应数值分析

基于固体材料的热弹塑性效应,对内壁含有轴向椭球形凹坑缺陷的压力容器在单调递增载荷条件下的热力特性进行有限元数值求解,得到了含轴向凹坑缺陷压力容器在内压载荷作用下的应力应变分布及演化特点,获得了凹坑以及与之相邻的压力容器筒体外壁节点温度的分布及变化规律。结果表明,在内压载荷作用下,凹坑最低点始终是应力最集中的区域,且发生塑性屈服后塑性变形沿着轴向扩展较快。凹坑缺陷所对应的筒体外壁区域,在局部弯矩的作用下,其所受应力比周围其他区域低很多,从而由非均匀弹性变形产生的温度不连续现象始终存在于这一区域,且形状与凹坑形状类似。当载荷超过极限载荷时,塑性屈服将在凹坑斜方向上的筒体外壁处发生,并沿着壁厚方向和凹坑轴向扩展,最终与凹坑底部的塑性屈服区域重合,此时凹坑区域所对应的筒体外壁温度分布较为复杂,且无规则性。研究结果可为压力容器筒体内壁轴向凹坑缺陷的红外无损检测提供理论参考。     

30CrMnSiNi2A钢轴类零件感应热处理的数值模拟

利用Comsol软件对30CrMnSiNi2A钢的感应回火进行了模拟,利用控制变量法研究了感应加热过程中电源频率、电流以及线圈的结构和尺寸参数对工件内部温度均匀性的影响。结果表明,电流强度和电源频率越大,工件在感应加热过程中的升温速率越大,最终平衡温度越高,但其径向/轴向温差越大。线圈的匝数越多,工件的升温速率和径向/轴向温差越大,最终平衡温度越高。线圈半径的变化仅会对工件端部的升温速率产生影响,线圈半径越小,工件端部的升温速率越快,轴向温差越小。线圈截面外径和壁厚的变化对工件感应加热过程中的温度场没有影响。根据模拟结果的对比分析,提出了一种采用分段加热法与增设导磁体相结合的方法,对感应回火系统进行了优化。通过优化设计可使工件在感应加热过程中的径向温差基本消除,使轴向温差小于10℃。     

AP1000核电主管道均匀化加热热处理工艺研究

针对AP1000核电主管道在热处理过程中产生的温度分布不均、薄壁处奥氏体晶粒粗大以及应力变形等问题提出了一种均匀化加热热处理的新工艺,在管道薄壁处覆盖网格状绝热材料,依据厚薄部位的壁厚关系调控薄壁部位受热面积,从而使管道整体升温均匀。采用数值模拟的方法验证该工艺的有效性。利用ANSYS软件对AP1000核电主管道在新工艺下的热处理加热阶段进行了热-力耦合数值模拟,将采用新工艺和传统工艺的温度场和应力场模拟结果进行了对比。结果表明,新工艺能显著降低工件厚薄部位中心的温差,最大温差从110℃下降到20℃,同时局部热应力较传统工艺大幅度下降,最大下降80%。因此,采用新工艺能够有效实现工件升温的均匀性,避免局部晶粒粗大,同时降低工件热应力。     

钛合金筒形件真空热胀形壁厚效应的数值模拟

建立了钛合金筒形件真空热胀形的二维非线性热力耦合有限元模型。使用有限元软件MSC-Marc对钛合金简形件真空热胀形过程进行数值模拟。计算了钛合金筒形件真空热胀形过程的温度场和变形场，并进行了相应的实验验证。模拟结果与实验结果吻合较好。用建立的模型对真空热胀形过程中钛合金筒形件壁厚效应进行数值模拟，讨论了一定工艺条件下钛合金筒形件壁厚与弯曲角度、胀形量和残余应力之间的关系，为实际生产中制定和优化钛合金筒形件真空热胀形工艺参数提供理论与实践依据。     

9%Cr钢厚壁管道局部焊后热处理温度场的数值模拟

基于热源追踪法开发了一个能够根据控温点温度自动调整热输入的有限元程序. 使用该程序模拟了9%Cr钢管道的局部焊后热处理温度场分布,并进行了试验验证. 结果表明,模拟结果与试验结果吻合良好. 热处理温度场沿管道轴向呈近似抛物线状分布,沿径向呈近似线性分布. 距焊缝中心两倍壁厚范围内,管道内外壁温差均约为17~18 ℃. 按照目前国内焊后热处理规程推荐的参数进行热处理,均温区宽度能够满足要求,可以保证整个接头的热处理效果. 根据温度场分布,还确定了与管道内壁焊缝中心温度相同的外壁等效点位置,以监测热处理过程中管道内壁温度的变化.     

钛合金离子渗氮表面完整性研究

对Ti-6Al-4V钛合金真空离子渗氮层的表面完整性进行测试。分析了渗氮温度、时间等工艺参数对渗层表面粗糙度、残余应力等的影响规律和机制。研究表明,在650-900 ℃范围内,随着渗氮温度的升高和渗氮时间的增加,表面粗糙度总体呈现增加的趋势。其中,渗氮温度从700 ℃增加到750 ℃,渗氮层表面粗糙度大幅增加,残余应力转变为残余压应力,且应力绝对值显著增加。证明钛合金反应扩散渗氮机制启动温度在700-750 ℃范围内,从而,钛合金离子渗氮适合的温度应大于750 ℃。同时表明,钛合金渗氮层表面完整性与反应扩散渗氮行为密切相关。在渗氮温度不高于850 ℃,渗氮时间不超过16 h的条件下,因渗氮引起的表面粗糙度增加不超过0.3 μm,渗层表面残余压应力可达-500 MPa。     

TC4钛合金的离子渗氮工艺

对TC4钛合金进行一系列离子渗氮试验,研究了离子渗氮温度、时间对渗层组织结构、显微硬度及表面残余应力的影响。结果表明:TC4钛合金经离子渗氮后表面硬度均可提高至基体的2~4倍,且表面为残余压应力状态。当渗氮温度800℃或渗氮时间8 h时,表面形成氮化物数量较少,光镜下只能观察到扩散层,随着渗氮温度的升高,渗氮时间的延长,表面由Ti N+Ti2N组成的化合物层厚度增加,致密性增强,硬度也随之增加。TC4钛合金经850℃×16 h离子渗氮后表面硬度可达到900 HV0.1左右,渗氮层由致密的化合物层+扩散层组成。随着渗氮温度继续增加,渗氮时间继续延长,表层氮化物聚集长大,渗氮层开始变得疏松。     

铸造铝合金筒形件强力热反旋减薄率对喇叭口(缺陷)的影响

基于ABAQUS/Explicit有限元平台对7075铸造铝合金筒形件强力热反旋成形进行数值模拟,分析减薄率、预热温度对筒形件旋压成形过程中喇叭口缺陷的影响。结果表明,减薄率为20%、预热温度为300℃时,工件壁厚减薄均匀且内壁保持贴模;减薄率为30%、预热温度为325℃时,工件出现明显的喇叭口现象,扩径度最大,达5.35%。综合分析表明,最佳工艺参数为减薄率20%、预热温度300℃。     

DP800高强钢筒形件流动旋压成形过程及旋压力分析

基于ABAQUS/Explicit平台,建立了双旋轮筒形件流动旋压成形有限元数值模拟模型,分析了DP800高强钢筒形件流动旋压成形过程的应力应变分布规律,并研究了旋轮成形角、旋轮圆角半径、旋轮进给比和壁厚减薄率4个关键工艺参数对DP800钢筒形件流动旋压力的影响。结果表明:等效应力和等效应变的最大值出现在旋轮与坯料接触区,已成形区域的应力均匀;工件外表面的等效应变均大于工件内表面等效应变,并沿着厚度方向逐渐减小;各旋压分力大小顺序为:径向旋压力轴向旋压力切向旋压力;随着圆角半径、旋轮进给比、壁厚减薄率的增大,各向旋压分力和总旋压力都呈增大趋势;随着成形角的增大,轴向旋压力和切向旋压力呈增大趋势,但径向旋压力和总旋压力呈先减小后增大趋势。     

管内空气流动对大口径厚壁P92管道局部焊后热处理温度场的影响

使用Ansys CFX软件建立了P92管道与管内空气的共轭传热模型，并进行了试验验证.使用该模型计算了不同管内空气流速时，局部焊后热处理的温度场分布.结果表明，管内空气流动对恒温后管道外壁温度影响较小，但会显著降低内壁温度，并增加内、外壁的轴向温度梯度.随着管内空气流速的增加，焊缝中心内外壁温差和轴向温度梯度近似线性增加，空气流速每增加1 m/s，内外壁温差将增大约5.0℃，内、外壁轴向温度梯度分别增加约0.03和0.02.对热处理温度要求很高的P92管道，局部焊后热处理时应限制管道内空气流动，或在选取热处理参数时考虑空气流速的影响.     

不同温度场下AZ31镁合金筒形件反挤压成形规律研究

为了探索不同温度场对AZ31镁合金筒形件反挤压成形的影响规律,采用数值模拟与实验相结合的方式,控制模具温度为200℃,通过改变坯料温度探究温度场和应变场的分布规律,以及筒形件的力学性能和微观组织。结果表明:在筒形件的成形过程中坯料自身热量、模具与坯料之间热传递以及形变热形成一定温度场;即使坯料为室温,挤出时最高温度都达到290℃。在不同坯料温度条件下,等效应变主要集中在筒形件的转角处和内壁,筒壁同一高度沿着内壁到外壁等效应变值逐渐减小。反挤压成形后的筒形件的微观组织和力学性能得到了明显的改善,坯料室温时成形的筒形件相比较于原始材料,平均晶粒尺寸从25. 58μm减小到2. 39μm,屈服强度和抗拉强度分别提高了119%和74. 7%,伸长率提高了67. 7%。分析可知反挤压过程中发生了动态再结晶,晶粒显著细化,提高了材料的力学性能。     

大直径30CrMnSiA筒形件对轮旋压成形过程的数值模拟

传统强力旋压是固体火箭发动机筒体生产的工艺方法,由于只采用旋轮与芯模匹配的方式,工件外侧表面仅仅发生剧烈的塑性变形,而贴近芯模的内侧的筒体材料应变明显小于外侧,从而造成在强力旋压后的筒形件内、外表面塑性变形不均匀、性能不一致及柔性差等问题,另外,传统强力旋压内芯模柔性差,制造费用高,尤其不符合大直径小批量的固体火箭发动机筒体的工业化低成本制造的要求,因此需开展固体火箭发动机筒体对轮旋压工艺技术的研究。因此,本文基于有限元软件ABAQUS,建立材料为30CrMnSiA筒形件对轮旋压有限元模型,对其加工过程进行数值模拟,得出对轮旋压成形过程中内外表面应力对称分布,改善了工件内应力状态;通过单因素试验获取了减薄率、旋轮成形角、进给比对圆度误差、壁厚偏差的影响规律,综合优选出一组最优的成形工艺参数为成形角25°、进给比1.2、减薄率30%,从而为工业生产中对轮旋压技术的应用奠定了坚实的基础。     

AZ31/AA5083双金属筒形件气压胀形-冷缩结合工艺

通过气压胀形实验研究AZ31/AA5083双金属筒形件气压胀形-冷缩结合工艺的基本成形规律。结果表明:双金属筒形件的适宜成形温度为450℃左右,双金属筒形件因两种金属热膨胀系数不同而收缩不同,在筒间形成过盈配合,筒间残余接触应力取决于双金属收缩量的差异,计算出筒间残余接触应力为2.96 MPa,接触应力过大会导致底部失稳凸起;同时,给出筒底凸起失稳发生的判据。降低成形温度、增大筒底圆角半径和保压冷却等能够防止内层筒筒底失稳;内外层筒形件壁厚不均匀,底部圆角处减薄率达到80%,最易发生破裂;加载路径对壁厚分布几乎没有影响。     

筒体内壁堆焊焊后消氢感应加热温度场的数值模拟

采用有限元方法对堆芯补水箱筒体内壁堆焊焊后消氢感应加热温度场进行了数值分析。针对筒体的结构特点,设计了一种加宽的C型感应线圈。研究了感应线圈的匝数、线圈与筒体的距离、线圈电流、电流频率对筒体温度分布的影响。结果表明,感应线圈的形状决定了筒体温度场分布的形态,线圈中心对应筒体的温度比四周的温度高。线圈匝数、线圈电流和电流频率越大,筒体升温速度越快,温度分布越均匀。当线圈电流为215 A、电流频率为10 kHz、线圈匝数为15匝、线圈与筒体之间的距离为25 mm时,筒体加热时的温度分布均匀性较好,能够满足焊后消氢的工艺要求。筒体感应加热试验的结果表明,模拟温度与试验温度变化趋势相同,温度值较为吻合。     

直壁筒形件凸模支撑渐进成形工艺的数值模拟

以ANSYS/LS-DYNA软件为分析平台,构建了凸模支撑渐进成形过程的有限元模型,成功模拟了用平行直线型路径方案渐进成形直壁筒形件的过程,并通过实验验证了该数值模拟方法的可行性。对数值模拟结果进行后处理得到直壁筒形件的应力应变分布、节点运动以及壁厚的变化规律。结果表明,平行直线型路径方案能够成形出壁厚较为均匀的直壁筒形件,在筒形件口部区域等效应力和等效应变达到最大。     

视角系数计算对工件加热过程温度场的影响

不规则表面间的视角系数计算比较复杂,研究者模拟工件在热处理炉内辐射换热时一般将其简化为1。为了分析有无视角系数对工件内部温度场计算的影响,实测了4个圆柱形工件在燃气炉内加热过程的温度分布,并利用ProCAST软件模拟了有无视角系数计算的工件内部温度场。结果表明,计算视角系数得到的温度模拟值与实测值吻合;计算视角系数时,两相邻工件的相互靠近一侧温度偏低,比无视角系数计算的温度低达130℃;沿工件中轴线对称位置的上下表面温差最大约50℃。     

TB10钛合金筒体反挤压成形的有限元模拟

通过热模拟实验得到TB10钛合金的流动应力-应变曲线,应用DEFORM-3D软件建立材料模型.基于刚塑性有限元法,对TB10钛合金筒体反挤压过程进行数值模拟.分析了挤压过程的载荷-行程曲线,以及坯料内部的温度、速度、应力、应变等的分布,并对模拟过程中的误差来源做了分析.研究表明,在摩擦因子较小(m=0.1)的情况下,挤压载荷较为稳定,筒壁处金属流动速度均匀,但局部变形不均和应力集中可能在表面形成裂纹.     

复杂曲面硬脆材料零件磨削加工数值模拟

建立了大型复杂形面薄壁石英纤维复合材料的树脂金刚石磨削过程传热学模型,并基于有限元方法,利用工程数值模拟软件ANSYS对石英纤维材料磨削时的热传递过程进行了数值计算,得出工件的温度场分布规律及温度变化历程。研究表明：以现行磨削用量干磨削后,磨削最高温度达到316℃,热量主要分布在表层2 mm深范围内,对工件表面材料性能影响不大;同时得到了温度场分布随热源的移动而变化的规律及工件表面某位置下不同深度的温度变化历程。借助有限元方法对工件表层的温度场进行仿真,可以预测整个磨削过程,优化磨削参数,减少试验次数与成本,为解决磨削表面热损伤和热变形等问题提供了依据。     

Zr-4合金板材真空退火温度场的数值模拟

分析Zr-4合金板材真空退火过程中的传热方式,计算锆合金板材径向传热系数,利用ABAQUS对Zr-4合金板材退火温度场进行数值模拟,分析工装夹具对锆合金板材退火的影响,结果表明,工装夹具能改善锆合金板材温度场分布均匀性,使锆合金板材温度分布的最高温差由70 ℃降低至35 ℃,升温过程更加稳定,并且数值模拟结果与实测结果有较好的一致性。