AZ91D镁合金半固态铸轧工艺过程的数值模拟

论文摘要

镁合金密度小（1.78～1.91cm3）,大约是铝的2/3,钢的1/4。以镁合金代替铝合金和钢可以减轻整个产品的质量,因此,镁合金有望在新一代材料中发挥极其重要的作用。目前,大量镁合金产品主要通过铸造的生产方式获得,但通过挤压、锻造、轧制等工艺生产出的变形镁合金产品,比铸造材料具有更高的强度、更好的延展性、更多样化的力学性能,可以满足更多结构件的需求,变形镁合金材料具有铸造材料无法替代的优秀性能。然而,极高的生产成本限制了镁合金的大量应用。其中一种解决方法就是发展半固态连续铸轧技术在降低成本的同时生产高质量的镁合金板带。在半固态镁合金薄板带连续铸轧工艺中,金属熔池内的流动行为、轧辊和铸带的传热现象、最终凝固点的位置的控制等因素都会影响到连铸件的质量。因此在这个领域用数值模拟方法研究工艺参数变化对金属流动和凝固特性的影响具有非常重要的意义。本文应用刚塑性理论对铸轧过程中AZ91D镁合金所符合的材料性质进行了理论解释,阐述了刚塑性可压缩材料的屈服条件及流动法则,并给出了适用于该材料的变分原理,为数值模拟提供了必要的理论支持。在铸轧过程模拟中,针对轧件变形时所具有的几何非线性和材料非线性,轧辊与轧件间的接触非线性等问题,有效地处理了铸轧过程的传热边界条件、摩擦边界条件和温度边界条件,结合半固态铸轧的特点,考虑到温度和变形两种不同场量之间存在的很强的相互作用,采用热力耦合分析法。由于铸轧过程的对称性,取一半轧件和单个轧辊进行分析,并应用Pro/E软件建立了三维有限元模型。采用DEFORM-3D模拟了AZ91D镁合金半固态铸轧过程,获得了铸坯在不同入口浆料温度、铸轧速度及辊缝宽度条件下的应力、应变和温度分布规律,并进一步研究了界面热传导系数和轧辊预热温度对铸坯温度场的影响,为实现半固态铸轧过程的工艺参数优化提供了一定的指导作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 半固态加工过程
• 1.2.1 半固态加工的概念及优点
• 1.2.2 半固态金属的成形工艺
• 1.2.3 半固态成形技术的研究现状及发展前景
• 1.3 镁合金半固态成形技术
• 1.4 铸轧技术及其数值模拟进展
• 1.4.1 双辊铸轧工艺原理及特点
• 1.4.2 双辊铸轧工艺研究现状
• 1.4.3 半固态铸轧技术
• 1.4.4 数值模拟在铸轧工艺方面的研究进展
• 1.5 本论文的主要研究内容
• 第2章 刚塑性有限元法的基本理论
• 2.1 刚塑性可压缩材料
• 2.2 刚塑性可压缩材料的变分原理
• 2.3 刚塑性有限元法刚度方程的求解
• 2.4 本章小结
• 第3章 铸轧过程有限元模型的建立及边界条件的处理
• 3.1 引言
• 3.2 有限单元法的基本思想和分析步骤
• 3.3 有限元分析软件DEFORM-3D
• 3.3.1 DEFORM-3D系统简介
• 3.3.2 DEFORM-3D软件的模拟流程
• 3.4 有限元模型的建立
• 3.4.1 几何模型的建立
• 3.4.2 半固态材料模型的建立
• 3.5 模拟过程边界条件的处理
• 3.5.1 传热边界条件
• 3.5.2 摩擦边界条件
• 3.5.3 接触边界条件
• 3.6 本章小结
• 第4章 铸轧过程模拟结果分析
• 4.1 入口浆料温度的影响
• 4.1.1 不同入口浆料温度下的温度场分布
• 4.1.2 不同入口浆料温度下的等效应力场
• 4.1.3 不同入口浆料温度下的等效应变场
• 4.2 铸轧速度的影响
• 4.2.1 不同铸轧速度下的温度场分布
• 4.2.2 不同铸轧速度下的等效应力场
• 4.2.3 不同铸轧速度下的等效应变场
• 4.3 辊缝宽度的影响
• 4.3.1 不同辊缝宽度下的温度场
• 4.3.2 不同辊缝宽度下的等效应力场
• 4.3.3 不同辊缝宽度下的等效应变场
• 4.4 界面热传导系数对铸坯温度分布的影响
• 4.5 轧辊预热温度对铸坯温度场的影响
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢