非局部摩擦的数值模拟及相关实验

论文摘要

金属塑性成形加工过程中,模具与材料之间存在着摩擦。摩擦力在接触面上的分布形式对成形过程金属塑性流动规律等力能参数问题的求解起着重要作用。对摩擦现象虽已进行过很多研究,但了解的尚属极少。摩擦模型是求解金属塑性成形力学问题的边界条件之一。目前,只能用简化的摩擦模型代替真实的摩擦分布。常用的简化摩擦模型有:常摩擦模型和库仑摩擦模型。从连续介质力学的观点来考虑,接触界面被视为具有剪切强度的连续膜。在金属塑性成形加工力学中,接触面上逐点采用的库仑摩擦定律是局部性质的,即接触面上摩擦域内某质点的摩擦效应只与该点的状态有关。然而,实际上金属表面往往是粗糙的,接触界面是粗糙面之间的接触,某一点的摩擦效应不仅与该点的状态直接相关,还与该点有限大小邻域内的其它点的状态有关,这是一种非局部摩擦效应。因此,在细观尺度上有必要用非局部摩擦模型替代库仑摩擦模型来考虑接触界面上微凸结构所引起的非局部摩擦效应。本文首次将Oden等提出的非局部摩擦模型用于金属塑性成形摩擦数值模拟的分析中。对塑性成形模拟过程中的非局部摩擦问题进行了研究。从微观角度考虑了接触面的微凸结构。首次对非局部摩擦模型用实验的方法进行探讨。主要研究内容如下:综述塑性成形中的摩擦模型和非局部摩擦模型的国内外研究现状及背景,引出研究的主要内容和意义。较系统的介绍了塑性成形中的摩擦理论和常用的摩擦模型及非局部摩擦模型。分析了有限元理论的基本方法,介绍了ADINA软件的基本概况,ADINA建模的过程及ADINA中接触摩擦问题的处理。分析了金属塑性成形过程中摩擦的形成,工件接触表面的微观形貌,给出了本文数值模拟中微观粗糙接触表面的接触模型。应用非局部摩擦模型对塑性成形中摩擦问题进行了数值分析。分别分析了不考虑表面微凸体和考虑表面微凸体的情况。文中就单个半球形微凸体的情况及单个圆台形微凸体的情况进行了非局部摩擦的影响分析。模拟中分别用局部库仑摩擦模型和非局部摩擦模型分析了成形过程中的摩擦问题,研究了成形过程中微凸体压下量与法向压应力的关系及某一相同时刻接触面的摩擦应力、法向压应力的分布等。将考虑表面微凸的非局部摩擦用实验的方法进行研究,在CMT系列微机控制电子万能试验机上进行了摩擦系数的测试研究,通过实验与模拟的比较得出在塑性成形加工工艺中,采用非局部摩擦模型代替局部的库仑摩擦模型对塑性成形加工过程的摩擦进行分析,虽然增加了问题的复杂性,但却使结果更精确、更真实。本文的研究有助于我们更加深入的认识塑性成形加工过程的摩擦机理,为今后采用更真实、更精确的摩擦模型做了有益的探索。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 金属塑性成形摩擦模型的研究现状
• 1.3 非局部摩擦模型在塑性成形中应用的研究现状
• 1.4 有限元分析方法在金属塑性成形中的应用
• 1.5 本课题的主要内容、方法及其重要意义
• 1.5.1 课题研究的目的和意义
• 1.5.2 课题的主要内容、方法
• 第2章 塑性成形中的摩擦理论与非局部摩擦
• 2.1 金属塑性成形中的摩擦
• 2.1.1 金属塑性成形中摩擦的特点
• 2.1.2 影响摩擦的主要因素
• 2.1.3 摩擦对金属塑性成形过程的影响
• 2.2 塑性成形中的几种摩擦模型
• 2.3 非局部摩擦
• 2.3.1 非局部摩擦模型
• 2.3.2 引入非局部摩擦模型的原因
• 2.4 本章小结
• 第3章 有限元理论基础及ADINA软件简介
• 3.1 有限单元法概述
• 3.1.1 有限元方法
• 3.1.2 有限元分析过程
• 3.2 ADINA软件系统概述
• 3.3 ADINA软件功能简介
• 3.3.1 ADINA用户界面
• 3.3.2 荷载与边界条件
• 3.3.3 ADINA计算分析功能
• 3.3.3.1 ADINA中非线性的概念
• 3.3.3.2 静力、动力分析
• 3.4 ADINA建模的基本内容
• 3.4.1 几何模型的建立
• 3.4.2 单元类型的选取
• 3.4.3 材料模型的定义
• 3.4.4 接触定义
• 3.4.5 网格划分
• 3.4.6 载荷定义
• 3.4.7 有限元模型的建立
• 3.5 ADINA摩擦接触问题
• 3.5.1 ADINA中的接触问题
• 3.5.2 ADINA接触问题的有限元处理
• 3.5.3 ADINA接触算法
• 3.5.4 ADINA接触摩擦模型
• 3.5.4.1 基本的摩擦模型
• 3.5.4.2 用户自定义的摩擦模型
• 3.6 本章小节
• 第4章 塑性成形中非局部摩擦的数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 金属塑性成形过程中摩擦形成的分析
• 4.3 工件粗糙接触表面的研究
• 4.3.1 接触表面的微观形貌
• 4.3.2 粗糙表面接触模型
• 4.4 塑性成形中非局部摩擦的数值分析
• 4.4.1 非局部摩擦模型
• 4.4.2 材料参数
• 4.4.3 不考虑表面微凸的情况
• 4.4.4 单个半球形微凸体的情况
• 4.4.5 单个圆台形微凸体的情况
• 4.5 本章小结
• 第5章 实验研究
• 5.1 实验准备
• 5.1.1 实验仪器
• 5.1.2 实验夹具
• 5.1.3 实验试件
• 5.2 实验方案
• 5.2.1 实验原理
• 5.2.2 测试方法及装置
• 5.2.3 实验方案
• 5.3 实验过程
• 5.3.1 测定金属材料性能（金属压缩实验）
• 5.3.2 测定摩擦系数（金属材料拉压实验）
• 5.4 实验数据分析
• 5.5 数值模拟与实验结果的对比
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 本文结论
• 6.2 主要创新
• 6.3 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的研究成果