锻件内部空洞缺陷闭合的研究

论文摘要

本文采用数值模拟和物理模拟相结合的方法对锻件内部空洞的闭合过程进行了研究。研究结果深化了对这一问题的认识,对于采用合理的工艺方法消除锻件内部空洞缺陷具有一定的参考价值。数值模拟采用MSC.SuperForm有限元模拟软件,对45号钢圆柱体锻件的镦粗过程进行了模拟研究。通过模拟平砧镦粗无空洞圆柱体,给出了锻件内部应力、应变分布情况,以及高径比、摩擦系数对锻件内部应力的影响规律;通过模拟平砧镦粗带空洞的圆柱体,模拟结果表明:空洞形状的变化过程为球形→椭球形→裂缝,最终空洞闭合,高径比、摩擦系数是影响空洞闭合的主要因素;根据数值模拟结果,得出了空洞闭合临界压下率的计算公式,该公式反映了各主要因素对空洞闭合的影响规律。对于球形砧镦粗新工艺,通过模拟球形砧镦粗无空洞圆柱体,得到了圆柱体内应力、应变的分布情况,表明球形砧镦粗新工艺能克服变形体内部变形不均匀和应力状态不佳等缺陷;通过模拟球形砧镦粗带空洞圆柱体,得出了高径比、凸面度对空洞闭合的影响规律;位于端面附近的空洞,球形砧镦粗的闭合效果比平砧镦粗的效果好。物理模拟以聚碳酸酯为原料,通过人工的方法在圆柱体心部生成空洞,对试件进行了镦粗实验,直接观察了空洞的闭合过程;与相同尺寸的有限元模型的数值模拟结果进行了对比分析,验证了数值模拟的合理性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 空洞缺陷的生成机理
• 1.3 空洞缺陷修复的研究现状
• 1.4 锻件锻造工艺的概述
• 1.5 锻件镦粗工序的概述
• 1.6 本文主要任务
• 第2章 数值模拟的基本理论
• 2.1 有限元法简介
• 2.1.1 有限元法的由来
• 2.1.2 有限元法的发展趋势
• 2.1.3 有限元的基本思想
• 2.2 有限元法在金属塑性成形领域中的应用
• 2.2.1 弹塑性变形的有限元法
• 2.2.2 非线性有限元求解的基本流程和方法
• 2.3 大变形弹塑性有限元法的基本理论
• 2.3.1 物体的构形及其描述
• 2.3.2 有限变形应变张量
• 2.3.3 有限变形应力张量
• 2.3.4 弹塑性大变形本构方程
• 2.4 弹塑性大变形有限元列式
• 2.4.1 虚功方程
• 2.4.2 U.L.法的有限元列式
• 2.5 本章小结
• 第3章 平砧镦粗圆柱体的数值模拟
• 3.1 MSC.SUPERFORM 有限元软件
• 3.1.1 选用MSC.SuperForm 软件进行模拟的原因
• 3.1.2 MSC.SuperForm 软件简介
• 3.2 平砧镦粗心部无空洞圆柱体的数值模拟
• 3.2.1 建立有限元模型
• 3.2.2 应变分析
• 3.2.3 应力分析
• 3.3 平砧镦粗心部带空洞圆柱体的数值模拟
• 3.3.1 建立有限元模型
• 3.3.2 镦粗过程中空洞形状的变化
• 3.3.3 高径比对空洞缺陷闭合的影响
• 3.3.4 摩擦系数对空洞缺陷闭合的影响
• 3.3.5 空洞尺寸对空洞缺陷闭合的影响
• 3.3.6 空洞的局部效应以及影响区域
• 3.3.7 空洞闭合度与压下率的关系
• 3.3.8 锻合压下率的拟合公式
• 3.4 本章小结
• 第4章 圆柱体镦粗的物理模拟
• 4.1 物理模拟理论以及相关问题
• 4.1.1 相似理论及相似准则
• 4.1.2 物理模拟方法介绍
• 4.1.3 物理模拟材料
• 4.2 模拟试件的制备
• 4.3 镦粗模拟实验
• 4.3.1 镦粗实验
• 4.3.2 空洞的闭合过程
• 4.4 物理模拟与数值模拟结果的对比分析
• 4.4.1 空洞闭合过程的对比
• 4.4.2 空洞闭合临界压下率的对比
• 4.5 本章小结
• 第5章 球形砧镦粗新工艺的数值模拟
• 5.1 球形砧镦粗心部无空洞圆柱体的数值模拟
• 5.1.1 建立有限元模型
• 5.1.2 球形砧、平砧镦粗圆柱体时截面上应变分布及其变化过程
• 5.1.3 球形砧镦粗圆柱体时截面上应力分布
• 5.1.4 球形砧镦粗时圆柱体轴线上点的应力分析
• 5.2 球形砧镦粗心部带空洞圆柱体的数值模拟
• 5.2.1 建立有限元模型
• 5.2.2 高径比对空洞缺陷闭合的影响
• 5.2.3 凸面度对空洞缺陷闭合的影响
• 5.3 圆柱体内双空洞闭合的数值模拟
• 5.3.1 建立模型
• 5.3.2 空洞闭合过程中圆柱体截面上应变分析
• 5.3.3 球形砧、平砧镦粗圆柱体时双空洞闭合的对比分析
• 5.3.4 空洞尺寸对空洞闭合的影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 详细摘要