铝合金液态模锻数值模拟及缺陷预测

论文摘要

液态模锻是一种介于铸造和锻造之间的成形工艺,因而兼有铸造和锻造的优点。金属液在压力下凝固,因而可获得晶粒细小、组织致密、具有很低的缩松倾向的制件,且尺寸精确,综合机械性能良好。液态模锻工艺涉及冶金、流体流动、热传导、塑性变形等一系列复杂过程,因而正确合理的确定液态模锻工艺,是获得优质液态模锻件的前提条件。随着计算机技术的飞速发展,数值模拟技术在优化工艺设计,缩短产品试制周期,降低生产成本,控制质量性能等中得到了广泛的应用。所以对液态模锻成形过程进行数值模拟具有重要意义。本文选用2A50铝合金制造的坦克负重轮为研究对象,使用Pro-CAST模拟仿真软件对该制件的液态模锻成形过程的温度场和应力进行了数值模拟,对制件进行了缩松、微裂纹等缺陷预测。预测结果显示:制件的总体凝固趋势是由上而下,由表及里,最后凝固区域为制件拐角及底部中心处;制件凝固以后阶段的应力分布规律为,制件表面受压应力,拐角及底部中心区域由于凝固收缩受到先凝固部分的阻碍而受拉应力;制件最后凝固的拐角处产生了缩松及微裂纹,且拐角处最后所受拉应力对微裂纹的产生贡献巨大。对制件在拐角处出现缩松及微裂纹等缺陷,本文进行了模拟方案改进和实验验证,由单向加压改为双重加压,旨在提高制件拐角处的压力,起到保压补缩的作用,并最终消除制件拐角处的缩松及微裂纹。结果显示,双重加压完全消除了单向加压时所产生的缩松缺陷,且实验结果与模拟结果一致。据此,在双重加压基础之上,做了不同工艺条件下液态模锻成形的数值模拟,获得了本次液态模锻的最佳工艺参数:对铝合金而言,压力以100MP左右为宜,浇注温度以720℃左右为宜,模具预热温度为300℃为宜。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题意义
• 1.2 液态模锻技术及国内外发展概况
• 1.2.1 液态模锻技术
• 1.2.2 国外液态模锻发展概况
• 1.2.3 我国液态模锻发展概况
• 1.3 铸造过程数值模拟技术的发展概况
• 1.3.1 国外铸造过程中数值模拟技术的发展概况
• 1.3.2 我国铸造过程中数值模拟技术的发展概况
• 1.3.3 液态模锻过程中数值模拟的研究概况
• 1.4 存在的问题及本课题主要研究内容
• 第2章 液态模锻凝固过程及应力模拟数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 液态模锻的传热模型
• 2.2.1 凝固过程传热数学模型
• 2.2.2 凝固过程有限元模型
• 2.2.3 凝固过程潜热的处理方法
• 2.3 应力数值模拟的弹塑性模型
• 2.3.1 塑性增量理论的基本原则
• 2.3.2 弹塑性应力应变本构模型
• 2.3.3 增量形式的有限元方程及基本算法
• 2.4 本章小结
• 第3章 凝固过程与热应力数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 液态模锻数值模拟前处理
• 3.2.1 几何模型及网格剖分
• 3.2.2 材料物性参数的选择
• 3.2.3 初始条件及边界条件设置
• 3.3 凝固过程数值模拟结果与分析
• 3.4 热应力数值模拟结果与分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 液态模锻缺陷预测及实验验证
• 4.1 引言
• 4.2 缩孔缩松缺陷预测与分析
• 4.2.1 缩孔缩松形成机理
• 4.2.2 缩孔缩松预测判据
• 4.2.3 缩孔缩松缺陷预测结果与分析
• 4.3 热裂纹缺陷预测与分析
• 4.3.1 热裂纹预测判据
• 4.3.2 热裂纹预测结果与分析
• 4.3.3 热裂纹的显微分析
• 4.4 工艺改进后的缺陷预测
• 4.5 负重轮液态模锻成形实验简介
• 4.5.1 实验设备及实验材料
• 4.5.2 实验工艺流程及参数选定
• 4.5.3 力学性能测试
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢