铝合金三层板结构搅拌摩擦焊/超塑成形的数值模拟及工艺研究

论文摘要

结构轻量化技术是航空先进制造技术发展的重点之一。将超塑成形和扩散连接技术相组合,能够制造出结构效率高、重量轻、整体性能好的夹层结构件。钛合金超塑成形/扩散连接（SPF/DB）技术已经展示出巨大的技术经济效益,而铝合金DB困难,一定程度上制约着其组合技术的研发应用。采用铝合金超塑成形和搅拌摩擦焊（FSW/SPF）组合技术代替SPF/DB技术,其理论可行、经济效益可观,具有很大的研究价值和发展前景。本文首先讨论了超塑性变形和搅拌摩擦焊的相关机理,继而通过单向拉伸试验研究了5083铝合金超塑性变形的力学特性,确定其最佳超塑温度为525℃,最佳应变速率为2×10-4s-1,对应的应变速率敏感性指数m值最大为0.519。然后围绕典型的三层板结构件,利用有限元软件MARC对5083铝合金FSW/SPF过程进行数值模拟分析,预测成形件的壁厚分布情况,并获得了最大等效应变速率恒定条件下的优化加载曲线,为试验的成形压力控制提供依据。在有限元模拟的基础上,本文进行铝合金FSW/SPF的工艺研究。重点研究了铝合金搅拌摩擦焊工艺,并开展了铝合金三层板结构的搅拌摩擦焊/超塑成形试验,最后探讨了铝合金FSW/SPF可能出现的工艺问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 超塑性和超塑成形的研究发展概况
• 1.3 搅拌摩擦焊技术
• 1.3.1 搅拌摩擦焊原理
• 1.3.2 搅拌摩擦焊技术的研究现状和应用领域
• 1.4 SPF 数值模拟技术研究进展
• 1.5 研究内容
• 第二章 超塑性变形与搅拌摩擦焊技术的基本理论
• 2.1 超塑性变形机理
• 2.1.1 超塑性变形的宏观力学特征
• 2.1.2 超塑性变形的微观组织变化
• 2.1.3 超塑性变形机理
• 2.2 搅拌摩擦焊机理
• 2.2.1 搅拌摩擦焊缝微观组织
• 2.2.2 搅拌摩擦焊塑性流动机理
• 2.2.3 搅拌摩擦焊的超塑性行为
• 2.3 本章小结
• 第三章 5083 铝合金超塑性拉伸试验研究
• 3.1 试验材料和试验设备
• 3.2 拉伸试验方案
• 3.3 工艺参数对超塑变形的影响
• 3.4 应变速率敏感性指数m 值的测定
• 3.4.1 m 值的测量方法
• 3.4.2 恒应变速率拉伸法测定m 值
• 3.4.3 拉伸速度突变法测定m 值
• 3.5 本章小结
• 第四章 铝合金三层板结构超塑成形的数值模拟
• 4.1 MSC.MARC 简介
• 4.2 板料超塑成形数值模拟的关键技术
• 4.2.1 压力优化控制策略
• 4.2.2 接触和摩擦
• 4.3 5083 铝合金三层板搅拌摩擦焊/超塑成形的有限元模拟
• 4.3.1 有限元模型建立
• 4.3.2 有限元参数的设定
• 4.3.3 有限元模拟结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 铝合金搅拌摩擦焊/超塑成形工艺研究
• 5.1 FSW/SPF 工艺准备
• 5.1.1 模具制备
• 5.1.2 试验设备
• 5.1.3 工艺流程的制定
• 5.1.4 搅拌摩擦焊接轨迹和气路设计
• 5.2 5083 铝合金搅拌摩擦焊工艺研究
• 5.3 铝合金三层板结构搅拌摩擦焊
• 5.4 超塑成形工艺参数的选择
• 5.5 铝合金三层板结构超塑成形
• 5.6 铝合金搅拌摩擦焊/超塑成形工艺探讨
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文