TC4合金热扭压成形数值模拟

论文摘要

众所周知，一般情况下压缩时，由于模具与变形体之间的摩擦作用，很难使变形体实现简单压缩，而是使变形体处于复杂的应力和应变状态中，难于进一步分析，而且变形体在获得大变形之前也很容易破坏，如表面开裂等。但是如果压缩和扭转同时进行，并在选好一定工艺参数条件下，就可以变摩擦阻力为摩擦动力，从而既实现了一定的扭转变形，又实现了简单压缩变形。扭压变形是在变形体高度方向施加压力的同时，通过主动摩擦作用在其横截面上施加一扭矩，促使变形体产生轴向压缩和切向剪切变形的特殊塑性变形工艺。它是复合加载变形方式的一种，成形工艺的实质在于控制接触摩擦力和变形体内部剪切变形强度，从而将变形体与模具间有害的摩擦变成有益的作用，改变了变形体内部的应力应变状态，产生了较大的切应变量，改善了传统压力加工中的一些工艺的不足之处。一方面保证了法向应力的降低，提高非密实件的可焊性能；另一方面可以使材料产生较大的塑性变形，改善材料的内部组织，获得亚微米级甚至纳米级块体材料。本文采用数值模拟和虚拟正交试验结合的方法，对难变形材料TC4合金扭压成形过程进行了深入的研究。运用刚粘塑性有限元方法模拟扭压成形过程，能更加合理地反映不同高径比、温度、挤压速度、摩擦因子、扭转角速度等工艺参数对TC4合金扭压成形过程的影响。通过利用虚拟正交试验分析我们得到不同工艺参数的对变形不均匀参数影响的规律，从主到次依次为：高径比—摩擦因子—挤压速度—扭转角速度—温度。由于对变形体施加了不为零的扭矩，从而导致了剪应力τzθ的存在，那么变形体进入塑性状态所需要的轴向应力就小于σ_s。本文通过模拟和正交分析得到，扭压成形工艺可以降低变形力，使变形更加均匀，从而改善难变形材料的性能和开拓应用，为扭压工艺的推广具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及来源
• 1.2 扭压成形工艺
• 1.2.1 扭压成形工艺的特点
• 1.2.2 扭压成形的国内外现状
• 1.2.3 扭压成形设备
• 1.3 钛合金的性能及应用
• 1.3.1 钛合金的性能
• 1.3.2 钛合金的应用
• 1.4 钛合金成形工艺
• 1.4.1 钛合金普通成形工艺
• 1.4.2 钛合金扭压成形工艺
• 1.5 主要研究内容和意义
• 1.5.1 主要研究内容
• 1.5.2 研究意义
• 第二章 TC4合金扭压成形有限元技术
• 2.1 有限元技术的基本原理及其发展
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 有限元分析的一般过程
• 2.1.3 有限元法的特点
• 2.2 刚粘塑性有限元法
• 2.2.1 刚粘塑性有限元的发展
• 2.2.2 刚粘塑性有限元法应用
• 2.2.3 刚粘塑性有限元基本方程
• 2.3 刚粘塑性有限元模拟的关键技术
• 2.3.1 求解算法
• 2.3.2 迭代算法
• 2.3.3 缩减因子的确定
• 2.3.4 网格划分及重划分
• 2.3.5 接触摩擦处理
• 3D软件的介绍'>2.4 DEFORM₃D软件的介绍
• 2.5 本章小结
• 第三章 TC4合金扭压成形模拟及结果与分析
• 3.1 模型建立
• 3.1.1 模型各部分的生成
• 3.1.2 模型的装配及单元划分
• 3.1.3 模型各部分的参数设置
• 3.2 模拟结果与分析
• 3.2.1 各项工艺参数的影响
• 3.2.2 不同边界约束下扭压成形
• 3.2.3 结论
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于虚拟正交试验的TC4合金扭压成形分析
• 4.1 正交试验设计法
• 4.1.1 目标函数和影响因素
• 4.1.2 正交表的选用
• 4.1.3 试验设计
• 4.1.4 试验数据
• 4.2 正交试验结果分析
• 4.2.1 计算各因素的I，II，III和总和T
• 4.2.2 计算因素的极差R，确定因素的主次顺序
• 4.2.3 选择较优的成形条件
• 4.2.4 各因素水平影响趋势
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 硕士期间发表的学术论文