金属粉末成形有限变形本构模型及数值模拟

摘要

当前高效率、低能耗、低污染成为全球制造业发展的主题，粉末冶金作为功能材料和高性能材料的制备成形技术，正好顺应了这种发展潮流，适合各类零件的绿色制造，在工业领域得到了广泛应用及飞速发展。基于有限元方法的数值模拟技术以其独特的优势，为研究粉末成形过程中的力学特性提供了灵活高效的途径。可以引入复杂的几何模型、材料本构模型、摩擦模型以及边界条件等多种信息，对成形过程中的相对密度、材料流动、成形力能参数进行预测。因此能够更准确综合地研究粉末成形的力学特性，对于工艺优化以及成形设备的研制具有很大的理论及现实意义。 本文系统地分析了有限变形的基本问题以及非线性问题的增量求解方法，针对金属粉末成形中多重非线性的特点，讨论了力学建模的难点及关键性问题，采用连续介质力学对金属粉末成形过程进行力学建模，并针对压制及轧制两种常见的成形工艺进行数值模拟。 选择了适用于金属粉末材料等可压缩连续体的椭球面屈服准则，针对成形中的材料、几何双重非线性的特点，基于更新拉格朗日格式建立了增量形式的有限变形弹塑性本构模型，该模型充分考虑了粉体成形中的体积、密度变化以及大变形、大位移等特点。同时根据张量形式的本构模型推导了其显式矩阵表达，分析了其特点并选用了合适的求解方案。针对椭球面屈服准则的特点对加卸载准则及弹塑性状态确定了判断依据，并建立了适用于本文模型的应力更新算法。 分析了文献中用于金属粉末材料的泊松比及弹性模量的多种模型，同时对文献中的几种流动应力模型进行了归纳，在此基础上建立了流动应力模型的通式。并将该通式代入椭球面屈服模型中推导了模型系数及其对密度的偏导数的通式。根据本文所建立的有限变形本构关系及相关的算法编制了计算程序，该计算程序集成了本构关系及结果数据的后续处理功能，并作为模块嵌入到MSC．Marc软件平台。 通过对圆柱体试样压制过程的模拟验证了本文本构模型及计算程序的正确性。通过跟实验的比较表明，模拟所得的压制曲线及相对密度的分布具有较高的可靠性。基于几种形式的弹性模量、泊松比及流动应力模型进行了模拟，确定了最符合实验结果的模型组合。并分析了流动应力模型使用中的问题。同时计算比较了本文算法的优越性，采用本文的程序使计算效率得到很大的提高，18时计算过程具有较好的收敛性。在此基础上，对一个形状较复杂的配重块的压制过程进行了模拟，在密度预测方面获得了较好的结果，充分证实了模拟的可靠性。充分分析了金属粉末轧制的特点，在此基础上研制出专用的轧制试验装置及轧制力实时采集系统，实现了几种金属粉末的连续稳定轧制。采用铝粉、铁粉及不锈钢粉末，成功获得了连续带材，具有较好的宏观质量及一定的强度。 基于本文的有限变形本构关系及计算程序成功地实现了金属粉末轧制的数值模拟，在压缩率较高的情况下计算过程具有较好的稳定性。分析了轧制过程力能参数及密度分布的发展规律。对比表明，计算结果整体可靠。根据模拟结果，提出了咬入角及中性角的确定方法，根据该方法计算的角度跟文献中的结果相符。通过模拟综合研究了轧制过程中各种工艺因素的影响，并根据正交实验法分析了各工艺因素对相对密度及轧制力的影响大小。 借助本文模型首次对金属粉末异步轧制过程进行了研究，分析了不同差速比下轧制力的变化规律，符合文献中铜粉及致密金属异步轧制的实验结果。同时对粉末轧制烧结A1带的二次轧制过程进行了模拟，并取得了理想的效果。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

第一章绪论

1.1粉末冶金概述

1.2金属粉末成形的力学模型及数值模拟研究

1.2.1压制方程

1.2.2金属粉末轧制参数计算的解析模型

1.2.3金属粉末成形过程的数值模拟研究现状

1.3本课题的研究目的及主要研究内容

1.4课题来源

第二章金属粉末成形有限变形本构模型及相关算法

2.1引言

2.2有限变形基本问题

2.2.1连续性方程

2.2.2应变张量

2.2.3应变速率张量和旋转速率张量

2.2.4应力张量

2.2.5应力速率张量

2.3金属粉末材料的弹塑性本构关系

2.3.1基于弹性能假设的椭球面屈服准则的提出

2.3.2关联流动法则

2.3.3小变形本构关系的建立

2.3.4有限变形本构关系的建立

2.3.5有限变形本构关系显式矩阵表达的建立

2.4模型相关的问题及参数

2.4.1泊松比

2.4.2弹性模量

2.4.3流动应力模型

2.4.4相对密度与塑性应变的关系

2.5加卸载准则及弹塑性状态的确定

2.6应力更新算法

2.7子程序的实现及相关的求解方法

2.8本章小结

第三章本构模型及子程序的验证

3.1引言

3.2验证实例1

3.2.1计算基本参数

3.2.2计算结果分析

3.2.3弹性模量、泊松比对计算结果的影响

3.2.4流动应力模型对计算结果的影响

3.3验证实例2

3.4本章小结

第四章金属粉末轧制的数值模拟及实验研究

4.1引言

4.2金属粉末轧制试验装置及测试系统的研制

4.2.1金属粉末轧制试验装置的特点

4.2.2金属粉末轧制装置的设计

4.2.3轧制力采集系统

4.2.4金属粉末轧制实验

4.3金属粉末轧制的数值模拟

4.3.1摩擦条件

4.3.2计算条件

4.3.3咬入条件的建立

4.3.4计算结果及分析

4.3.5影响金属粉末轧制的主要工艺因素

4.3.6各种因素影响大小的综合比较

4.4金属粉末异步轧制的数值模拟

4.4.1异步轧制的特点

4.4.2计算结果分析

4.5金属烧结带材二次轧制及数值模拟

4.5.1烧结带材的二次轧制

4.5.2结果分析

4.6误差分析

4.7本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

评定意见