镁合金板料热拉深成形实验与数值模拟研究

论文摘要

镁合金作为目前实际应用中最轻的金属结构材料,在3C行业、汽车行业、国防、航空航天产品、人们日常的生活应用前景广泛。镁合金板料的冲压产品具有较好的力学性能和表面质量成为镁合金材料应用的一个趋势,而在冲压工艺中又以拉深工艺应用较广。由于拉深工艺过程是一个同时包含几何、材料、边界条件和力学等非线性条件于一体的极其复杂的过程,对镁合金拉深成形工艺的研究成为能否获得复杂镁合金塑性成形构件关键。本文针对目前镁合金板料拉深成形工艺研究现状与实际需求,对镁合金板料热拉深成形过程的关键技术进行了实验研究、理论研究、数值模拟及二次开发研究。研究结果对指导镁合金产品设计、缩短产品开发周期、减少材料消耗和保证产品质量等具有科学意义和重要的实际应用价值。主要内容如下:设计制造了一套能自动控制拉深温度、拉深速度的镁合金板料热拉深成形的实验装置,为实现镁合金板料热拉深成形件产业化生产装置提供了参考;并用其对运用前景广阔的AZ31B、ME20M镁合金板料进行了热拉深成形物理实验,得到了两种镁合金板料热拉深成形最优工艺参数,为提出优化的镁合金板料热拉深成形工艺方案提供了依据。利用光学金相显微镜对不同工艺参数下的AZ31B、ME20M镁合金板料热拉深成形圆筒件的金相组织结构进行了观察分析。结果表明:合理控制镁合金板料生产过程及镁合金板料热拉深成形过程工艺参数可以很好地控制镁合金板料拉深成形件金相组织结构的变化,使其具有较小晶粒组织,从而使镁合金拉深成形件具有良好的力学性能。通过对镁合金板料进行热拉伸力学物理实验,首次提出了一个适合于镁合金板料热成形的含非常应变软化因子的高温流变应力数学模型;利用BP神经网络预测了镁合金板料热成形高温流变应力,将其预测结果与提出的数学模型预测结果、热拉伸力学物理实验结果进行了比较,进一步验证了本文提出的镁合金板料热成形高温流变应力数学模型的科学性、精确性;并用FORTRAN语言编程,在ABAQUS中进行了用户材料子程序VUMAT二次开发,将提出的高温流变应力数学模型加入到了数值模拟软件ABAQUS中,实现了在ABAQUS中加入并调用新的材料模型,使建立的材料模型更接近实际,拓展了ABAQUS软件的应用范围,提高了模拟精度。合作设计制造了一套镁合金板料热拉深成形过程中凸凹模圆角处摩擦系数在线测量的实验装置,在综合考虑镁合金板料拉深成形过程中成形温度、压边力、润滑剂等因素的基础上,进行了镁合金板料热拉深成形凸凹模圆角处摩擦物理实验,分别提出了与成形工艺参数(成形温度、压边力)有关的凸凹模圆角处新的动态变化摩擦系数模型;并用FORTRAN语言编程,在ABAQUS中进行了用户子程序VFRIC二次开发,将提出的动态变化摩擦系数模型、修正的库仑摩擦模型相结合,加入到了数值模拟软件ABAQUS中,实现了在ABAQUS中加入真实摩擦边界条件的目的。最后在ABAQUS软件中,分别通过不同方式获得了镁合金板料热拉深成形材料模型、摩擦边界条件,对镁合金板料热拉深成形规律进行了数值模拟研究,并与物理实验结果相比较。研究结果表明:本论文作者提出的镁合金高温流变应力模型、热拉深成形过程凸凹模圆角处的动态摩擦系数模型具有较强的科学意义与工程实用价值;利用二次开发将二者加入到ABAQUS模拟软件中去的方法是完全可行的;本文的研究成果在镁合金板料拉深成形件、乃至其它塑性成形产品生产实际中起到重要的指导意义,大大降低生产成本。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 镁合金概述
• 1.1.1 镁合金应用
• 1.1.2 镁合金的分类
• 1.2 镁合金板料成形技术
• 1.2.1 镁合金板料加工技术的研究
• 1.2.2 镁合金板料成形技术的研究
• 1.3 选题意义与本文研究内容
• 1.3.1 选题意义
• 1.3.2 本文研究内容
• 第2章 镁合金板料热拉深成形工艺实验研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验设备的设计与实验材料的选用
• 2.2.1 实验设备的设计
• 2.2.2 实验材料的选用
• 2.3 AZ31镁合金板料热拉深成形性能实验研究
• 2.3.1 拉深温度对AZ31镁板拉深的影响性能
• 2.3.2 拉深速度对AZ31镁板拉深性能的影响
• 2.3.3 润滑剂对AZ31镁板拉深性能的影响
• 2.3.4 AZ31镁板极限拉深高度值确定
• 2.3.5 拉深温度及速度对AZ31镁板拉深成形件微观金相组织的影响
• 2.4 ME20M镁合金板料热拉深成形性能实验研究
• 2.4.1 拉深温度对ME20M镁板拉深性能的影响
• 2.4.2 拉深速度对ME20M镁板拉深性能的影响
• 2.4.3 润滑剂对ME20M镁板材料拉深性能的影响
• 2.4.4 ME20M镁板极限拉深高度值确定
• 2.4.5 拉深温度及速度对ME20M镁板拉深成形件微观组织的影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 镁合金板料高温流变应力实验及其数学模型研究
• 3.1 引言
• 3.2 金属流变应力及其数学模型研究现状
• 3.2.1 金属热成形通用本构方程
• 3.2.2 动态回复本构关系
• 3.2.3 动态再结晶本构方程
• 3.2.4 动态回复及动态再结晶统一本构方程
• 3.3 ME20M镁合金板料高温流变应力实验研究
• 3.3.1 实验过程
• 3.3.2 实验结果分析
• 3.4 镁合金高温流变应力数学模型研究
• 3.4.1 镁合金高温流变应力数学模型研究概述
• 3.4.2 镁合金高温流变应力数学模型研究
• 3.5 利用神经网络预测镁合金高温流变应力
• 3.5.1 BP人工神经网络
• 3.5.2 BP网络学习规则
• 3.5.3 BP网络的训练
• 3.5.4 镁合金高温流变应力神经网络预测
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于ABAQUS的镁合金板料成形数值模拟中高温流变应力数学模型的二次开发及实现
• 4.1 引言
• 4.2 ABAQUS有限元软件概述
• 4.3 镁合金高温流变应力数学模型在ABAQUS中的二次开发与实现
• 4.3.1 ABAQUS中的材料模型
• 4.3.2 镁合金高温流变应力数学模型在ABAQUS中的二次开发与实现
• 4.4 本章小结
• 第5章 镁合金板料热拉深成形过程摩擦测试实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 镁合金板料热拉深成形摩擦测试实验装置
• 5.2.1 摩擦测试实验原理及其装置结构
• 5.2.2 镁合金板料成形过程摩擦在线测试系统
• 5.3 镁合金板料热拉深成形过程摩擦测试实验
• 5.3.1 试样准备
• 5.3.2 镁合金板料热拉深成形摩擦测试装置可行性验证
• 5.3.3 镁合金板料成形过程摩擦测试实验
• 5.3.4 实验结论及其分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 镁合金板料热拉深成形摩擦模型研究及基于ABAQUS数值模拟中的二次开发
• 6.1 引言
• 6.2 板料成形摩擦模型及研究方法的发展状况
• 6.2.1 板料成形摩擦模型研究方法的发展状况
• 6.2.2 常用的摩擦模型
• 6.3 镁合金板料热拉深成形过程摩擦模型研究
• 6.3.1 板料拉深成形过程摩擦行为特点
• 6.3.2 镁合金板料热拉深成形凸凹模圆角处动态变化摩擦系数模型
• 6.4 镁合金板料成形摩擦模型在ABAQUS中的二次开发与实现
• 6.4.1 ABAQUS中摩擦的定义
• 6.4.2 镁合金板料成形摩擦模型在ABAQUS中的二次开发及实现
• 6.5 本章小结
• 第7章 基于ABAQUS的镁合金板料热拉深成形工艺数值模拟研究
• 7.1 引言
• 7.2 板料成形数值模拟研究现状
• 7.3 基于ABAQUS的镁合金板料热拉深成形工艺数值模拟研究
• 7.3.1 ABAQUS数值模拟模型的组成
• 7.3.2 将高温流变应力应变实验数据直接导入ABAQUS获得材料模型的数值模拟研究
• 7.3.3 基于ABAQUS/VUMAT获得材料模型的数值模拟研究
• 7.3.4 基于ABAQUS/VUMAT、ABAQUS/VFRIC分别获得材料模型、摩擦模型的数值模拟研究
• 7.4 镁合金FLD、FLSD的数值模拟研究
• 7.4.1 FLD、FLSD简介
• 7.4.2 通过数值模拟研究得出的本文镁合金的FLD、FLSD
• 7.5 本章小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 创新
• 8.3 进一步的研究工作
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果