变形镁合金板材热塑性成形的力学建模及数值模拟

摘要

镁合金塑性变形能力较差，与其较成熟的铸造技术相比，其塑性变形理论研究还不够深入，镁合金的锻造、挤压、轧制、拉拔、冲压等塑性加工技术发展相对缓慢。加强变形镁合金塑性变形理论及加工技术等方面的研究，对推动镁合金材料的实际应用具有重要的意义。本论文主要研究了变形镁合金热塑性成形过程的力学建模理论和数值模拟方法。通过建立变形镁合金的流变应力方程，结合一种正交各向异性屈服准则，推导出变形镁合金热弹塑性增量本构关系模型，在此基础上实现了变形镁合金板材的轧制和热拉深数值模拟，并进行了实验验证，模拟结果与实验吻合良好，可用于对变形镁合金热塑性成形过程的模拟计算。主要研究内容如下： 首先，在实验研究的基础上提出了变形镁合金的流变应力方程，经验证可与实验曲线较好吻合；在分析和总结已有屈服准则的基础上，选择了一种正交各向异性屈服准则，结合本文建立的流变应力方程，推导出变形镁合金的热弹塑性增量本构关系模型，建立了该本构关系的积分算法格式以及实现模拟所必需的一系列算法和公式。在MSC．Marc软件平台的基础上开发了用户子程序，实现了上述的通式和算法，并对变形镁合金单轴拉伸进行数值模拟，结果与实验较为一致。 其次，进行了变形镁合金热轧制数值模拟研究。用已建立的模型、公式、算法和开发的程序，计算了变形镁合金平板的三维轧制过程，着重分析轧件咬入阶段与稳定轧制阶段的温度、应力、应变分布特点，与实验结果进行对比，验证了模拟结果的准确性。实验选用Mg-Al-Zn系AZEC310303(由本实验中心开发)和Mg-稀土系ZE10两种变形镁合金材料，通过轧制实验最终成形出了厚度为1mmm的板材。 同时，进行了变形镁合金热拉深数值模拟研究。用已建立的模型、公式、算法和开发的程序，对变形镁合合金板材的热拉深过程进行了数值模拟，分析了温度分布状况、由压边力大小不当引起的破裂和起皱现象、产品的壁厚分布和冲压力一行程曲线，并与实验结果进行对比，模拟结果与实验吻合较好。实验研究表明当凸凹模温度、拉深速度、压边力及润滑方式控制合适时，AZEC310303和ZE10的极限拉深比(LDR)可分别达到2.6和2.85。

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研究背景

1.1.1镁合金的性能及其重要应用价值

1.1.2镁合金的研究及应用历程

1.2变形镁合金板材塑性成形技术

1.2.1变形镁合金材料

1.2.2变形镁合金板材塑性成形技术研究现状

1.3镁合金塑性成形有限元数值模拟

1.3.1各向异性屈服准则

1.3.2流变应力模型

1.3.3镁合金流变应力方程

1.3.4镁合金塑性成形有限元数值模拟研究现状

1.4本论文的研究目的和主要研究内容

1.5课题来源

第二章变形镁合金热弹塑性本构关系的建立与算法研究

2.1引言

2.2变形镁合金流变应力方程的建立

2.2.1实验材料和设备

2.2.2断裂机制

2.2.3流变应力曲线

2.2.4流变应力方程的拟合计算

2.3热弹塑性力学问题的基本方程

2.4变形镁合金热弹塑性本构关系推导

2.4.1 正交各向异性屈服准则

2.4.2流动法则

2.4.3正交各向异性屈服曲面的镁合金弹塑性本构关系推导

2.5热—机耦合分析有限元求解方法

2.5.1增量有限元求解方法

2.5.2弹塑性问题的增量方程

2.5.3大变形问题的参考构形

2.5.4热弹塑性耦合分析有限元格式

2.6镁合金塑性成形本构关系程序

2.7镁合金单轴拉伸有限元分析及本构关系模型验证

2.7.1有限元模型的建立与相关模拟条件的设置

2.7.2镁合金弹塑性本构关系模型的误差分析

2.7.3模拟结果及分析

2.7本章小结

第三章变形镁合金板材热轧制成形数值模拟

3.1引言

3.2材料与设备

3.2.1实验材料

3.2.2主要实验设备

3.2.3轧制工艺

3.3实验结果与分析

3.3.1粗轧

3.3.2中轧

3.3.3精轧

3.3.4表面清洗

3.3.5轧制前后板材组织分析

3.3.6镁合金板材轧制常见缺陷分析

3.4镁合金板材轧制成形热—机耦合数值模拟与实验对比研究

3.4.1有限元模型的建立与相关条件的设置

3.4.2模拟结果及分析

3.5本章小结

第四章变形镁合金板材热拉深成形数值模拟

4.1引言

4.2拉深成形原理

4.2.1板材拉深变形区域分析

4.2.2冲压力

4.2.3压边力及其控制方式对起皱的影响

4.2.4极限拉深比(LDR)

4.3设备及工艺

4.3.1设备及模具

4.3.2工艺条件

4.3.3拉深模具设计

4.4镁合金板材热拉深工艺研究

4.4.1温度对成形性能的影响

4.4.2冲压速率对成形性能的影响

4.4.3压边力及其控制方式对起皱的影响

4.4.4润滑对冲头力—行程曲线的影响

4.5 AZEC310303、AZ31和ZE10的极限拉深比

4.6变形镁合金热拉深数值模拟与实验对比研究

4.6.1有限元模型的建立与相关条件的设置

4.6.2模拟结果与讨论

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