蠕变时效统一本构建模与成形模面回弹补偿

摘要

为了解决整体壁板成形难题，蠕变时效成形工艺应运而生。该技术是一种综合利用金属的蠕变、时效强化和应力松弛特性，使构件成形成性同步进行的新型成形方法。然而，构件经过蠕变时效成形后均会发生较大的回弹，针对这一挑战，本文以2124铝合金为研究对象，建立了一套行之有效的解决方案，其中包括蠕变时效统一本构模型建立、时效成形过程有限元仿真分析、模具型面回弹补偿计算以及典型构件成形试验研究四个部分，具体内容与成果如下:
　　(1)通过蠕变拉伸试验、力学性能测试及透射电子显微镜等试验研究，实现了2124铝合金在蠕变时效过程中的宏观蠕变行为与微观析出相演变过程的定量分析，揭示了2124铝合金的蠕变时效机制。
　　(2)在系统分析蠕变时效过程中合金宏观蠕变与微观析出相演变交互作用的基础上，建立了一套适用于高强铝合金蠕变时效统一本构模型;并采用粒子群算法优化本构模型中的材料常数，实现了2124铝合金蠕变与时效析出行为的回归分析，优化后的本构方程能较好的拟合试验数据。
　　(3)使用Fortran语言对本构方程进行二次开发，并嵌入到有限元分析软件MSC.Marc中，对铝合金平板构件蠕变时效成形过程进行建模与仿真，系统分析了成形过程中构件应力应变、回弹以及微观析出相特征的变化规律;并通过成形试验验证了有限元模型的正确性。
　　(4)提出了一种基于有限元分析结果的成形模具型面回弹加权补偿算法，对比分析了新算法与传统算法对模具型面补偿后的构件成形精度，发现新算法不仅可以快速和精确得实现模具型面补偿，而且克服了传统算法随着补偿次数增加成形精度出现波动的缺陷;
　　(5)以某典型航空航天壁板结构为对象，开展蠕变时效成形模具型面回弹补偿计算;基于分析得到的模具型面，设计并研制了卡板式蠕变时效成形模具，并通过壁板成形试验进一步证明了有限元仿真结果的正确性以及加权补偿算法的精确性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 2124铝合金的简介

1．2．1 2124铝合金的发展历程

1．2．2 2124铝合金的国内外研究现状

1．3 蠕变时效成形技术简介

1．3．1 蠕变时效成形技术的工艺流程

1．3．2 蠕变时效成形技术的成形优点

1．3．3 蠕变时效成形技术的特性分析

1．4 蠕变时效成形的研究概况

1．4．1 蠕变时效本构建模的研究概况

1．4．2 蠕变时效成形试验的研究概况

1．4．3 时效成形模具补偿的研究概况

1．4．4 蠕变时效成形工装的研究概况

1．4．5 蠕变时效成形技术的工业应用

1．5 课题研究内容与意义

1．5．1 课题的研究内容

1．5．2 课题的研究意义

1．6 本章小结

2 2124铝合金蠕变时效统一本构建模

2．1 试验准备

2．1．1 试验流程

2．1．2 试验材料

2．2 高温蠕变时效试验

2．2．1 蠕变试样的制备

2．2．2 试验方案的制定

2．2．2 蠕变时效试验流程

2．2．3 蠕变时效试验结果

2．3 材料力学性能试验

2．3．1 材料屈服强度测试试验

2．3．2 材料显微硬度试验

2．4 透射电镜显微组织试验

2．4．1 透射试验试样的制备

2．4．2 透射试验电镜结果

2．4．3 强化析出相特征分析

2．5 2124铝合金蠕变时效统一本构建模

2．5．1 蠕变应变模型

2．5．2 析出相特征模型

2．5．3 材料强化模型

2．5．4 蠕变时效统一本构方程建立

2．6 本章小结

3 蠕变时效成形有限元分析与回弹预测

3．1 有限元法简介

3．2 MSC．Marc软件简介

3．3 蠕变时效成形有限元建模

3．3．1 蠕变时效有限元模型

3．3．2 蠕变时效的分析流程

3．3．3 模型接触条件的定义

3．3．4 模型边界条件的定义

3．3．5 模型材料特性的定义

3．3．6 模型工况条件的定义

3．4 有限元仿真结果分析

3．4．1 构件应力应变分析

3．3．2 构件微观组织与性能变化

3．3．3 构件回弹分析

3．5 试验验证

3．5．1 试验工装与设备

3．4．2 试验操作流程

3．4．3 试验结果分析

3．6 本章小结

4 蠕变时效成形模具回弹补偿

4．1 回弹补偿流程

4．1．1 成形误差的定义

4．1．2 模具型面补偿流程

4．2 回弹补偿算法对比

4．2．1 整体补偿结果分析

4．3．2 加权补偿结果分析

4．3 整体壁板件仿真分析

4．3．1 有限元分析建模

4．3．2 有限元仿真结果

4．4 模具型面补偿计算

4．5 模具结构设计

4．6 实际件试验研究

4．6．1 试验前期准备

4．6．2 试验操作流程

4．6．3 试验结果分析

4．7 本章小结

5 全文总结与展望

5．1 全文总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间主要的研究成果

致谢