液固高压成形中液固相连续转变的力学建模及有限元模拟研究

论文摘要

液固高压成形是指对处于液固相共存状态的材料施加力的作用，使其产生一定量的塑性变形或塑性大变形，进而使其性能得以很大提高的成形工艺．液固高压成形因其成形载荷低，制件性能好等优点引起了国内外学者的广泛关注，在工艺实验、性能测试、本构建模等方面已取得了很大的进展．然而在处理液固相连续转变的力学建模及有限元模拟方面，仍存在很大不足．基于此，本文开展了以下几方面的研究工作：（一）高温固相区力学建模方法研究针对高温固相区的变形特点，本文选用硬化效果不明显的纯应变率相关粘塑性本构模型描述其变形行为，并在经典径向返回算法的基础上提出一种能够高效、准确地积分此类本构模型的迭代径向返回算法，克服了经典径向返回算法在积分此类刚性微分形式的本构模型时收敛性差的缺点，为液固高压成形的力学建模创造了首要条件．力学建模的另一个重要方面是确定本构模型中的材料参数．本文首次通过有限元法与优化算法结合，基于参数反求法原理确定了本构模型中的材料参数，减小了由于分析法确定本构模型参数时因引入过多假设所造成的误差．系统研究了通过液-固挤压成形工艺制备的Al2O3sf／LY12复合材料的高温压缩变形行为，获得了复合材料在压缩变形过程中载荷随位移的变化曲线，基于选取的本构模型及提出的积分新算法，采用参数反求方法确定了Al2O3sf／LY12复合材料的本构参数，为液-固挤压成形工艺的有限元模拟研究奠定了基础．（二）液相区力学建模方法研究本文基于单元去除法和材料本构法建立了液相区的力学模型，用于模拟具有等静压及不可压缩特性的液相区变形行为，系统论述了两类理论模型及其在应用过程中的关键问题与处理方法．通过算例分析比较了两类模型在模拟含液相固体变形中的优缺点．结果表明，两者得到的模拟结果基本相当，均可用于液相区变形行为的描述；单元去除法虽然精度较高，但实现液固相连续转变的力学建模较为困难；材料本构法在液固相连续转变的力学建模方面表现出更大的灵活性，然而对本构算法提出更高的要求．液相区力学模型的建立克服了液固高压成形力学建模中的一大难点．（三）液固相连续转变力学建模方法研究基于不同液相区力学建模方法的优缺点，本文建立了两种液固相连续转变的力学模型：一种基于单元去除法，研究了液固相区的动态更新、液固界面上流体单元的生成及分析结果之间的结果传递等过程；另一种基于材料本构建模的思想，将两种材料模型集成到一个材料子程序中，通过判断单元温度，决定材料所处的状态，高于液相区温度的材料采用液相本构模型，低于液相区温度的材料采用高温固相区本构模型．由此实现了液固相动态转变的力学建模．（四）液-固挤压成形复合材料工艺有限元模拟研究本文将液固高压成形的力学建模方法应用于液-固挤压成形工艺，对模具加热、液态金属浸渗及挤压成形等工艺过程进行了有限元模拟，并与实验结果进行了比较．结果表明，采用本文的建模方法能更准确地反映挤压过程中坯料的变形状态，与传统的单相材料模型相比，计算得到的力能参数更接近实际，由此说明了本文建立的液固高压成形力学模型的可靠性．本文的研究对含液相固体变形的其他成形工艺具一定的参考价值，为进一步研究此类工艺奠定了基础．

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 液固高压成形工艺简介
• 1.3 液固高压成形及相关工艺的力学建模与有限元模拟现状
• 1.4 选题意义
• 1.5 研究内容
• 1.6 创造性研究成果
• 第2章 高温固相区力学建模研究
• 2.1 引言
• 2.2 高温固相区变形特征分析
• 2.3 固相区本构方程及其积分算法研究
• 2.4 本构方程参数的反求确定
• 2.5 高温固相区力学建模方法应用研究
• 2.6 本章小结
• 第3章 液相区力学建模研究
• 3.1 引言
• 3.2 液相区变形特征分析
• 3.3 基于单元去除法的液相区力学建模
• 3.4 基于材料本构法的液相区力学建模
• 3.5 算例分析
• 3.6 不同液相区力学建模方法优缺点分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 液固相连续转变的力学建模研究
• 4.1 引言
• 4.2 基于多相材料模型的液固相连续转变力学建模
• 4.3 基于单元去除法的液固相连续转变力学建模
• 4.4 本章小结
• 第5章 液-固挤压成形复合材料工艺有限元模拟研究
• 5.1 引言
• 5.2 液-固挤压工艺实验研究
• 5.3 液-固挤压工艺有限元模拟方案
• 5.4 有限元模拟中关键问题的处理
• 5.5 模拟结果及分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文及参加科研情况