有限元方法在金属塑性成形中的应用

有限元法是应用于金属塑性成形数值模拟中的一种有效的数值计算方法.详细介绍了弹塑性、刚塑性、粘塑性3种有限元法.刚塑性有限元法适用于大塑性变形,包括板带、型钢轧制和环件轧制的模拟分析等.弹塑性有限元法在金属塑性成形数值模拟中应用最广.与刚塑性方法相比,弹塑性有限元法还能有效处理卸载问题,计算残余应力和应变.而粘塑性有限元法适用于金属热变形或强化不显著的软金属变形.同时,结合国内外最新的具体实例说明了这些方法在金属塑性成形领域中的具体应用,展望了有限元方法在金属塑性成形中的发展.     

金属板材单点渐进塑性成形过程的计算机模拟

研究了金属板材单点渐进塑性成形的成形机理,通过建立渐进成形的变形模型,详细分析了变形过程中受力的情况及成形过程,利用ANSYS软件对成形过程进行了计算机模拟.     

微电子材料在微塑成形中的尺度效应

微电子材料在微机电系统（MEMS）的发展中越来越受到青睐，但是其工艺加工的不足限制了实际应用的步伐。微塑性成形可以成形微电子器件，由于其尺寸微型化，在微塑性成形中存在一个不可避免的“尺度效应”问题，尺度效应表现在材料的流动行为、成形中摩擦效应和实验结果的分散性上。在介绍尺度效应的基础上对其进行了分类，给出了判断标准，并从流动应力、晶粒尺度、摩擦效应和温度效应等方面综述了尺度效应对微塑性成形的影响。由于基于连续介质的传统塑性力学理论无法解释微塑性成形过程中的尺度效应，因此引入了非均匀介质的塑性应变梯度理论并进行了探讨，最后指出了尺度效应的研究发展方向，从而促进微电子材料的开发应用。     

近红外光谱测量中的多尺度建模新方法

近红外光谱学是近十年来发展最快、最引人注目的光谱分析技术之一,其高精度测量依赖于化学计量学方法以准确提取光谱信息.针对近红外光谱单尺度传统建模方法中存在的信息易丢失问题,发展了一种多尺度建模新方法.多尺度建模可有效协同利用信号的时/频多尺度特性,并将多尺度特性以加权形式统一映射到多元校正空间,有效避免了信息丢失.该算法成功地应用于面粉中掺杂有毒非法添加剂硼砂含量检测,经验证后模型的预测值与真实值的相关系数和预测均方根误差分别为0.974和0.0019,其预测相对误差为1.9%.研究结果表明,多尺度建模方法完全满足近红外光谱高精度测量的要求.     

粉末金属压制过程建模方法(1)--金属塑性力学方法

介绍了建立描述粉末金属压制过程数学模型的难点.详细论述了目前4种主要的建模方法,分析、比较了各种方法的优劣,并对建模工作提出了展望和指导性意见.     

塑性有限元在金属体积成形过程中应用的进展

塑性有限元法已经成为研究金属体积成形的重要方法。介绍了刚塑性有限元和弹塑性有限元的原理;综述了金属体积成形过程中锻造、挤压和轧制工艺有限元模拟的国内外最新应用进展,并分析了有限元法在不同工艺中应用的未来发展方向。最后总结了塑性有限元法在金属体积成形领域未来发展的难点和趋势。     

金属板材屈服行为与塑性失稳力学模型在微尺度下的应用

板材屈服准则与塑性失稳模型是精准描述高性能构件成形或服役过程的基础与前提。在板材塑性成形过程中,试样几何尺寸、材料晶粒大小、自由表面粗化和织构分布等都会对材料的塑性变形行为产生不可忽略的影响,导致单一尺度下的本构模型和断裂准则不能有效预测微观尺度下的材料变形行为和各种缺陷,大大限制了合金板材在航空、航天、汽车、医疗等工业上的应用。对现有屈服准则的研究进展进行了较为全面的回顾,从Hill、Hershey-Hosford和Drucker这3个系列出发,分别进行了对比分析,并总结了目前国内外用于验证屈服准则的金属板材双向拉伸实验机发展状况。基于不同的破裂失稳机理,将失稳模型分为宏观失稳准则、韧性断裂准则和耦合材料损伤演化的韧性断裂准则,并分别进行了归纳和阐述。此外,随着微成形技术的逐步推广,也对宏观塑性成形理论在微尺度下的应用进展进行了说明,指出了宏观屈服准则和失稳模型在微尺度下的不足和缺陷。最后讨论了宏观屈服准则和失稳模型今后的发展趋势以及宏观塑性成形理论在微尺度下的应用前景。     

钢筋混凝土柱地震破坏分析的多尺度建模方法

结构多尺度计算技术在保证计算精度的同时,可大幅度地降低计算成本。该文提出了钢筋混凝土柱多尺度模型界面连接和引入等效塑性铰长度的精细化区域界定的方法,并在LS-DYNA程序中二次开发了混凝土多维损伤本构模型,建立了钢筋混凝土柱地震破坏分析的多尺度建模方法。通过对钢筋混凝土柱拟静力试验和单调推覆数值试验的模拟与对比分析,验证了所建立方法的适用性;通过对一钢筋混凝土柱的地震模拟振动台试验的模拟与分析,直观地观察了强震作用下钢筋混凝土柱的混凝土压碎、钢筋屈曲等破坏过程。     

多尺度材料模型研究及应用

在分别介绍宏观,介观,微观,原子和电子尺度材料模型研究的基础上,论述了多尺度材料模型（MMM）这一新兴的跨学科的前沿研究领域产生的前提,概念主其在材料科学,特别是在宏观形变及新断裂过程研究中的重要作用,综合分析了多种跨尺度关联方法的原理,技术方案及其应用,并探讨了当前多尺度研究的热点及进一步发展的方向。     

非均质材料微成形过程的晶体塑性模拟

微塑性成形中,由于参与变形的晶粒数量有限,材料非均质现象显著,基于均匀化假设的宏观弹塑性模型不再适用,为了研究有限数量晶粒组成的材料塑性变形过程,需结合其微结构与微观塑性变形机制.参照金属材料的微结构,构建了非均质多晶模型,采用晶体塑性本构关系和Cauchy应力更新算法,设计了材料子程序(VUMAT),对含不同晶粒数目的圆形板料拉深过程进行模拟分析.研究表明,非均质多晶板料成形的筒形件具有明显制耳,但制耳轮廓无规律.晶粒数目增加会弱化材料非均质现象,使制耳高度降低,但又引起晶粒间约束增强,使拉深力小幅增长.     

双金属复合管塑性复合成形工艺及应用

简单分析了双金属复合管塑性成形的过程,对目前国内双金属复合管的各种主要塑性成形复合技术进行了分析和比较,最后介绍了一种新的成形工艺.     

金属超声振动塑性成形技术研究现状及其发展趋势

金属超声振动塑性成形,由于能够有效降低设备成形力,提高材料成形极限,改善成形零件质量,在塑性成形领域逐渐发挥了重要作用。介绍了金属超声振动塑性成形的原理与主要特点,以及理论机制中"体积效应"和"表面效应"的研究进展。综述了超声振动在铝/镁合金等轻合金塑性成形工艺中应用的研究现状。提出了目前金属超声振动塑性成形在理论和应用研究中存在的主要问题,并对该技术未来的发展趋势进行了展望。     

材料塑性成形时敏感性分析研究现状

敏感性分析在材料塑性成形过程中的工艺优化设计及控制方面有重要的应用。综述了材料塑性成形时敏感性分析方法及各种方法在工艺优化设计中的应用,介绍了国内外学者基于敏感性分析在微观组织的优化控制、预成形优化设计、模具优化设计以及参数设计等方面所取得的研究进展。     

金属板材数控渐进成形工艺的研究进展

为了总结过去十几年国内外学者对板材数控渐进成形工艺技术的研究进展,对渐进成形工艺成形机理方面的研究成果进行了综述,分析了其材料变形的特点;全面概述了近年来国内外学者有关成形工艺参数对成形极限、成形精度、表面质量及能耗和效率的影响方面的研究成果,并介绍了国内外金属板材渐进成形装备的研究进展,最后对新兴的板材渐进成形工艺进行了总结概括。现有研究表明,成形件几何精度、表面质量和成形效率等方面的不足仍然是制约该技术广泛工业化应用的关键问题,同时渐进成形件的形性协同控制机理也亟待研究。     

Hybrid Data-Driven and Mechanistic Modeling Approaches for Multiscale Material and Process Design

The world’s increasing population requires the process industry to produce food, fuels, chemicals, and consumer products in a more efficient and sustainable way. Functional process materials lie at the heart of this challenge. Traditionally, new advanced materials are found empirically or through trial-and-error approaches. As theoretical methods and associated tools are being continuously improved and computer power has reached a high level, it is now efficient and popular to use computational methods to guide material selection and design. Due to the strong interaction between material selection and the operation of the process in which the material is used, it is essential to perform material and process design simultaneously. Despite this significant connection, the solution of the integrated material and process design problem is not easy because multiple models at different scales are usually required. Hybrid modeling provides a promising option to tackle such complex design problems. In hybrid modeling, the material properties, which are computationally expensive to obtain, are described by data-driven models, while the well-known process-related principles are represented by mechanistic models. This article highlights the significance of hybrid modeling in multiscale material and process design. The generic design methodology is first introduced. Six important application areas are then selected: four from the chemical engineering field and two from the energy systems engineering domain. For each selected area, state-of-the-art work using hybrid modeling for multiscale material and process design is discussed. Concluding remarks are provided at the end, and current limitations and future opportunities are pointed out.     

Concepts for Integrating Plastic Anisotropy into Metal Forming Simulations

Modern metal forming and crash simulations are usually based on the finite element method. Aims of such simulations are typically the prediction of the material shape, failure, and mechanical properties during deformation. Further goals lie in the computer assisted lay‐out of manufacturing tools used for intricate processing steps. Any such simulation requires that the material under investigation is specified in terms of its respective constitutive behavior. Modern finite element simulations typically use three sets of material input data, covering hardening, forming limits, and anisotropy. The current article is about the latter aspect. It reviews different empirical and physically based concepts for the integration of the elastic‐plastic anisotropy into metal forming finite element simulations. Particular pronunciation is placed on the discussion of the crystallographic anisotropy of polycrystalline material rather than on aspects associated with topological or morphological microstructure anisotropy. The reviewed anisotropy concepts are empirical yield surface approximations, yield surface formulations based on crystallographic homogenization theory, combinations of finite element and homogenization approaches, the crystal plasticity finite element method, and the recently introduced texture component crystal plasticity finite element method. The paper presents the basic physical approaches behind the different methods and discusses engineering aspects such as scalability, flexibility, and texture update in the course of a forming simulation.     

低频振动对塑性成形表面微观形貌的影响

目的 通过对塑性成形界面施加纵向和法向低频振动,探究不同振动参数对成形过程中表面质量的影响规律。方法 采用自主设计的低频振动发生器完成纵向振动作用下的摩擦实验和法向振动作用下的压缩实验,统计材料表面变形区域的平均粗糙度,评价成形质量。结果 在干摩擦条件下,不同频率（0～50 Hz）的纵向小振幅（0.1mm）振动有利于提高成形界面的表面质量,变形区域的表面粗糙度与频率成反比,但是较大振幅（0.4 mm）的纵向振动会增加接触面的材料磨损,降低表面质量;不同频率（0～50 Hz）和不同振幅（0～0.4 mm）的法向振动均有利于提高干摩擦成形界面的表面质量,在0.2 mm振幅条件下表面粗糙度下降最为明显,振幅超过0.2mm后,增加振幅对提升表面质量的影响不明显。结论 低频振动对成形界面微观形貌影响较大,合理优化低频振动工艺参数可显著提高成形界面的表面质量。     

钛合金超声振动塑性成形技术研究现状

钛合金具有密度低、强度高、抗蚀性好等优点,但其冷加工困难,而超声振动塑性成形技术能够降低成形力,减少摩擦,提高零件表面质量,改善材料的成形性能。简述了超声振动塑性成形的技术原理、成形机理及其应用;介绍了钛合金的塑性成形特点与钛合金超声振动塑性成形的研究现状;总结了目前钛合金超声成形技术中存在的问题。现有研究表明,钛合金超声塑性成形技术具有很广阔的应用前景,是钛合金塑性成形技术中极具先进性与挑战性的研究重点。     

镁合金塑性成形性能实验与数值模拟研究

对ME20M镁合金板料进行了热拉深成形性能实验与数值模拟.研究表明,ME20M镁板热拉深成形极限高度随实验参数的不同而不同,其塑性成形性能随温度的升高明显改善;数值模拟可以很好地预测不同实验参数下镁合金板料热拉深成形极限的高度.对热拉深成形件传力区部位进行金相实验得知,合理控制热拉深实验参数能保证镁合金塑性成形件微观组织,进而保证成形件质量.