基于DEFORM-3D的液缸锻件成型计算机模拟及其锻造裂纹成因分析

论文摘要

塑性力学的建立和发展已经历了几个世纪,上世纪60年代以后,随着有限元法的发展、塑性本构关系的建立以及计算机技术的进步,有限元数值仿真技术在材料塑性成形领域得到了突破性的进展。采用这种数值仿真方法,可以模拟实际塑性成形过程中工件内部应力、应变、温度等参数的变化情况,寻找和制定最佳成型工艺,避免盲目的实际试制,大量节约研发成本,是实际锻造成形和新产品开发中的一个有效手段。本文在参阅国内外众多文献基础之上,利用金属成型有限元软件DEFORM-3D对1300型液缸件的锻造成型过程进行了计算机模拟仿真。通过模拟得出了钢坯在整个锻造过程中不同区域的温度、应力以及应变的分布变化情况。并通过镦粗后钢坯应变分布的变化,分析了坯料镦粗过程中的塑性变形特性及可能产生的一些锻造缺陷。为了进一步研究和分析钢坯在锻造过程中的塑性变形特性,本文还做了如下研究:（1）单次压下量和端面摩擦系数对钢坯塑性变形特性的影响;（2）坯料拔长过程中的刚端影响以及普通平砧拔长和FM法拔长的对比;（3）利用计算机模拟结合方柱体钢坯镦粗的刚塑性力学模型研究并证明了钢坯镦粗过程中其中心被动塑性变形区存在着拉应力。研究结果表明:（1）随着单次压下量的增加钢坯侧面和侧棱的应力显著减小,同时,靠近钢坯端面的锥形区（难变形区）的面积也在减小;（2）坯料端面与铁砧间的摩擦系数越小,端面的应力场分布就越均匀,平均值也越大,钢坯中心的塑性变形量也越大;（3）LZ法拔长时刚端因素的存在加强了受压坯料中心部位的塑性变形,同时出现了开口朝向刚端的“V”字型塑性变形区;（4）用FM法拔长时,刚端因素的存在使得受压坯料的塑性变形区上移,中心部位塑性变形量很小,塑性变形主要集中在受压坯料靠近刚端的上半部分。此外,本文还利用计算机模拟结合金相组织实验对该锻件表面及棱角区域出现的裂纹进行了实效分析。认为此裂纹产生的主要原因是锻件表面及棱角附近应力集中,附应力过大,使得具有严重氧化现象的金属表层开裂所致。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 锻压综述
• 1.1.1 我国锻压行业的发展现状
• 1.1.2 大件锻压缺陷分析与对策
• 1.2 工程问题的计算机仿真技术
• 1.3 有限元模拟在金属塑性加工中的应用
• 1.4 论文研究的目的和内容
• 第二章 金属塑性力学理论及塑性加工中的有限元仿真技术
• 2.1 金属塑性力学基础
• 2.1.1 金属塑性变形的实质
• 2.1.2 金属塑性与变形抗力
• 2.2 金属塑性加工有限元仿真技术
• 2.2.1 刚塑性有限元法
• 2.2.2 弹塑性有限元法
• 2.2.3 锻压过程中温度场的有限元法
• 2.3 适用于塑性加工的模拟软件DEFORM
• 2.3.1 DEFORM简介及系统结构
• 2.3.2 DEFORM软件的突出特色
• 2.3.3 DEFORM-3D软件产品功能
• 2.3.4 基于DEFORM软件的有限元操作流程
• 第三章 基于DEFORM的钢坯锻造成型模拟
• 3.1 镦粗过程模拟
• 3.1.1 模型建立及网格划分
• 3.1.2 材料热物性参数的设定与选取
• 3.1.3 镦粗过程的模拟控制
• 3.1.4 结果分析
• 3.2 不同单次压下量下钢坯镦粗的模拟结果对比
• 3.2.1 镦粗后钢坯的温度分布及其温度分布的变化对比
• 3.2.2 镦粗后钢坯的应力分布及其应力分布的变化对比
• 3.2.3 z轴方向应力应变分布
• 3.3 不同摩擦系数下钢坯镦粗的模拟结果对比
• 3.3.1 镦粗后钢坯温度场分布及不同区域温度变化对比
• 3.3.2 镦粗后钢坯应力场分布及其不同区域应力变化对比
• 3.3.3 z轴方向应力应变研究
• 3.4 钢坯拔长过程模拟
• 3.4.1 LZ拔长法简介
• 3.4.2 FM拔长法简介
• 3.4.3 镦粗后钢坯的拔长模拟
• 3.5 拔长过程中刚端影响的模拟及分析
• 3.5.1 模拟的前提假设及依据
• 3.5.2 模型建立及模拟控制
• 3.5.3 模拟结果及分析
• 第四章 基于刚塑性力学模型的模拟结果讨论与实际锻件裂纹形成分析
• 4.1 方柱体钢坯镦粗的刚塑性力学模型
• 4.1.1 刚塑性模型的基本假设
• 1）'>4.1.2 刚塑性拉应力模型（H/A>1）
• 4.1.3 静水应力切应力模型
• 4.2 方柱体钢坯镦粗力学模型的计算机模拟试验
• 4.2.1 模拟方法设想
• 4.2.2 模拟试验
• 4.2.3 模拟结果
• 4.2.4 类似物理模拟试验
• 4.2.5 结果讨论
• 4.3 实际锻件裂纹形成的案例分析
• 4.3.1 金相组织分析
• 4.3.2 显微硬度测试
• 4.3.3 结果分析
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文目录