新型航空铝合金锻造有限元模拟及工艺优化

论文摘要

铝合金在机械、交通运输、电力、化工及日常生活等领域有广泛的应用。在现代航空器上，很多重要的零件或承力构件都是由铝合金锻件制成的。在铝合金的锻造过程中，除了表面缺陷、尺寸和几何形状方面的缺陷以外，还可能出现内部组织方面的缺陷，如穿流、穿筋和低倍粗晶等。因此，对铝合金锻件内部进行组织缺陷的分析研究，是铝合金锻件生产中的一项重要工作。为了在有限元模拟软件中建立新型航空铝合金7B04的材料类型，本文首先在Gleeble-3500型热模拟试验机上对该铝合金的圆柱形试样进行热压缩变形实验，研究该材料在变形温度为400～475℃，应变速率为1～50s-1条件下的流变行为。研究结果表明，7B04铝合金高温塑性变形时存在稳态流变特征。稳态流变应力随应变速率的增加而升高；随变形温度的升高而明显降低。并基于修正的双曲正弦式Arrhenius方程建立了该合金的本构模型。对某7B04铝合金锻件的内部组织进行观察后发现：该锻件在前缘筋的根部出现了穿流缺陷，并在穿流区出现了成片状的粗大晶粒。随后，本文在有限元分析软件DEFORM-3D中对该锻件的模锻过程进行了数值模拟，获得了锻件内部的金属流动情况、应变速率场、应变场和温度场等。研究发现该锻件内部的穿流是由于锻件在最后接近成形时筋条部位已经充满，腹板处多余金属剧烈地流向毛边槽，将邻近的表层金属带着流动而形成。穿流区的粗晶则是由于该部位剧烈的剪切变形，使得金属内部储存了大量变形能，且加剧了第二相粒子的偏聚和形变热效应，导致该区域温度过高，产生局部过热，在其后的晶粒长大过程中，晶粒之间通过聚集再结晶而形成了片状的大粗晶。另外通过7B04铝合金的镦粗实验发现，该合金在温度高于490℃、等效应变大于0.85的条件下变形时将会出现粗晶。最后，通过数值模拟对该锻件的锻造工艺进行优化。研究结果表明，将该锻件模锻时每次锤击的能量降低为100KJ（即额定能量的80%），或者将下模相应圆角由R10修改为R15后，成形时筋根部的金属流动更符合流线要求；且降低了该部位金属的温度，能有效防止该锻件穿流和粗晶缺陷的产生。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 铝合金锻造的国内外发展现状
• 1.2.1 国外发展现状
• 1.2.2 国内发展现状
• 1.3 刚塑性有限元基本理论及其相关技术
• 1.3.1 刚塑性有限元法的基本原理
• 1.3.2 DEFORM有限元分析软件及其应用
• 1.4 课题研究目的、意义及主要研究内容
• 1.4.1 课题来源、目的及意义
• 1.4.2 本课题主要研究内容
• 第2章 7B04 铝合金的热变形行为研究
• 2.1 引言
• 2.2 材料及方法
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 实验方法
• 2.3 7B04 铝合金热变形行为
• 2.3.1 真实应力应变曲线
• 2.3.2 流变应力方程
• 2.4 本章小结
• 第3章 新型航空铝合金件锻造过程的有限元模拟
• 3.1 新型航空铝合金件的锻造工艺条件
• 3.2 前处理主要设置技术
• 3.2.1 导入几何模型
• 3.2.2 划分网格
• 3.2.3 建立新材料模型
• 3.2.4 模拟过程的设定
• 3.2.5 接触关系及摩擦
• 3.3 有限元模拟工艺条件的设置
• 3.3.1 导入模型
• 3.3.2 划分网格
• 3.3.3 建立新材料类型
• 3.3.4 模拟过程的设定
• 3.3.5 接触关系等其他模拟参数的设置
• 3.4 模拟结果展示
• 3.5 本章小结
• 第4章 铝合金锻件的缺陷分析及锻造工艺的优化
• 4.1 锻件的缺陷观察与分析
• 4.1.1 实验方法
• 4.1.2 实验结果及分析
• 4.2 缺陷产生的原因分析
• 4.3 7B04 铝合金粗晶条件的研究
• 4.3.1 实验方法
• 4.3.2 实验结果及讨论
• 4.4 7B04 铝合金锻件模锻工艺的优化
• 4.4.1 工艺优化方案
• 4.4.2 优化后锻件成形情况
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢