大锻件镦粗成形中内部空洞型缺陷的演化规律研究

论文摘要

大锻件作为大型成套设备的核心零件,在国民经济建设、国防装备发展中发挥着举足轻重的作用。大锻件的锻造过程研究不仅仅着眼于如何生产出满足要求、具有一定形状尺寸的锻件,更重要的是研究如何修复缺陷、改善微观组织和创造有利的力学条件使锻造过程中不出现新的裂纹或夹杂性裂纹。镦粗成形作为最基本的锻造工艺,可以锻合锻件的先天性空洞缺陷,改善材料的力学性能,从而提高锻件的内在质量及承载能力。本文通过深入分析大锻件内部空洞型缺陷在镦粗过程中的变化,得到了空洞的演化规律、影响空洞闭合的因素和提高空洞闭合效果的条件。本文的主要工作和研究成果如下:1)基于细观损伤力学的Gurson模型,对空洞的演化规律和影响空洞闭合的因素进行分析,得到材料内部空洞闭合的力学条件。2)通过对Gurson模型的本构关系及更新计算的研究,对Marc进行二次开发,将包含空洞的本构模型嵌入到Hypela子程序中,实现了空洞演化的数值模拟运算。3)通过比较包含Gurson本构模型和人工空洞模型的数值模拟结果,发现Gurson模型实现空洞闭合的条件是材料的静水应力或等效应变无穷大。由于这一条件并不符合实际情况,本文又基于正交试验设计,模拟了不同试验参数下的空洞体积变化,从而获得了修正的Gurson模型参数。修正后的Gurson模型给出的空洞体积比接近直接设置人工空洞的模拟结果。研究表明,空洞位于锻件心部时闭合最容易,其位置越接近端面越难于闭合;空洞的闭合程度随基体材料硬化程度的增高而变差。4)以铅作为模拟大锻件成形的材料并在试件上设置微小空洞,进行镦粗成形物理试验模拟,验证了空洞的闭合准则。对比发现,空洞体积变化规律与数值模拟结果基本一致。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本文的研究背景
• 1.2 相关领域的研究现状
• 1.2.1 理论研究
• 1.2.2 数值模拟研究
• 1.2.3 物理模拟及试验研究
• 1.3 本文的研究内容和意义
• 1.3.1 本文的研究意义
• 1.3.2 本文的研究内容
• 第二章 细观空洞损伤本构模型
• 2.1 引言
• 2.2 三种典型的空洞损伤模型
• 2.2.1 圆柱空洞损伤模型
• 2.2.2 球形空洞损伤模型
• 2.2.3 Gurson 空洞损伤模型
• 2.3 弹塑性损伤有限元分析本构关系
• 2.4 本章小结
• 第三章 材料内部空洞型缺陷的闭合条件及有限元实现
• 3.1 含空洞材料的本构关系及闭合判定
• 3.2 弹塑性应变分解与应力更新
• 3.2.1 非线性显式图形返回算法
• 3.2.2 非线性完全隐式图形返回算法
• 3.2.3 基于J2 流动理论径向返回算法
• 3.3 Gurson 模型本构关系在MARC 软件中的实现
• 3.4 本章小结
• 第四章 空洞型缺陷演化的数值模拟及Gurson 模型的修正
• 4.1 大锻件内部空洞体积变化的数值模拟比较
• 4.2 修正Gurson 模型参数的确定
• 4.2.1 正交试验设计
• 4.2.2 心部存在空洞时的数值模拟结果
• 4.2.3 其他位置存在空洞的数值模拟结果
• 4.2.4 不同硬化条件对空洞闭合程度的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 空洞演化的试验验证
• 5.1 物理试验主要步骤介绍
• 5.1.1 试验设备的选用及试件的制备
• 5.1.2 试验原理及测试方案设计
• 5.1.3 试验结果的处理
• 5.2 物理试验与数值模拟结果对比
• 5.2.1 结果对比
• 5.2.2 误差及数据分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表或录用的论文