身管径向锻造过程的塑性应变分析与晶体塑性有限元模拟

摘要

身管径向锻造是一个复杂的塑性成形过程，属于多次局部加载成形，本文提出了局部锻造比的概念，推导了局部锻造比与整体锻造比的关系。基于体积不变和小变形原则，通过局部锻造比求出了每次锻打产生的应变增量，由应变增量累积得到了身管整体应变场，利用传统有限元法对锻打次数和累积应变进行了求解，并与解析法求得的结果进行了对比，发现比较吻合。
　　根据变形特点将身管弹线膛同时成形过程分为下沉段和锻造段，利用上述塑性应变分析方法，分别分析了下沉段和锻造段锻造比对身管塑性应变的影响。在总体锻造比相同的情况下，分别研究了改变下沉段锻造比和锻造段锻造比对内表面塑性应变和锻打力的影响。在此基础上讨论了内膛成形条件，并用实际身管锻打进行了验证。结果表明:下沉段锻造比过大会导致内表面径向拉应变分量增加，压应变分量减小，不利于身管成形;在总锻造比相同情况下，增大下沉段锻造比，锻打力会快速增加，设备的功耗增大，锤头寿命降低。
　　为了进一步研究身管内部微观组织的演变，引入晶体塑性有限元。研究了用于晶体塑性有限元计算的ABAQUS子程序UMAT，本构关系中采用Asaro硬化模型。基于Voronoi算法，得到了不同形状的多晶几何模型，并通过基于脚本接口和单元分组法导入ABAQUS建模。结合晶体塑性有限元的模拟结果与身管材料拉伸实验数据，拟合了身管材料的晶体塑性本构参数，并分析了拉伸颈缩位置的晶粒取向演变、以及拉伸试样内部的应变不均匀性。
　　建立了身管径向锻造的多晶有限元模型并进行了模拟，分析了身管内外表面的晶粒在下沉段和锻造段的变形特点，并利用极图研究了晶粒取向演变的过程，发现内表面晶粒取向旋转角度比较大。研究了锻后身管和晶粒内部的塑性应变，结果表明:身管整体和晶粒内部的塑性应变虽表现出不均匀的现象，但各个方向塑性应变与解析法和传统有限元法得到的结果比较吻合。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景

1．2 身管径向精锻工艺简介

1．3 径向锻造过程的研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 晶体塑性有限元方法的研究现状

1．4．1 国外研究现状

1．4．2 国内研究现状

1．5 本文主要研究内容

2 身管径向锻造过程的塑性应变分析与锻造比研究

2．1 身管径向锻造过程中的几何分析

2．2 身管径向锻造过程中塑性应变的解析分析

2．2．1 塑性力学分析模型

2．2．2 锻打次数与累积应变

2．2．3 下沉段和锻造段应变随身管径向位置的变化

2．3 身管径向锻造过程的塑性应变有限元解和解析解的验证

2．3．1 有限元模型的建立

2．3．2 有限元法与解析法结果对比

2．4 下沉段和锻造锻的锻造比对径向锻造过程的影响

2．4．1 下沉段锻造比对塑性应变的影响

2．4．2 锻造段锻造比对塑性应变的影响

2．4．3 改变锻造比的方式对内表面塑性应变的影响

2．4．4 两阶段锻造比对锻打力的影响

2．5 内膛成形条件的探讨

2．6 本章小结

3．晶体学基本知识与晶体塑性力学本构理论

3．1 晶体学基本知识

3．1．1 晶体取向的表示方法

3．1．2 体心立方材料的滑移系

3．1．3 极赤道投影图

3．2 晶体变形运动学

3．3 晶体的本构关系

3．4 硬化模型及硬化公式

3．5 晶体塑性本构理论在ABAQUS中的实现

3．6 本章小结

4 多晶体Voronoi有限元模型的建立

4．1 Voronoi方法介绍

4．2 voronoi图的建立

4．2．1 Voronoi图形种子的生成

4．2．2 Voronoi图形与晶粒数据

4．3 多晶体有限元模型的建立

4．3．1 脚本语言编程建立多晶有限元模型

4．3．2 单元分组法建立多晶有限元模型

4．3．3 两种方法建立的有限元模型之间的差异

4．4 本章小结

5 身管材料拉伸实验与晶体塑性有限元模拟

5．1 身管材料的拉伸实验

5．2 晶体塑性有限元模拟中所需材料参数的确定

5．3 拉伸模拟结果分析

5．3．1 拉伸后晶粒的取向分析

5．3．2 应变不均匀性分析

5．4 本章小结

6 身管径向锻造过程的多晶体有限元模拟

6．1 身管轴对称多晶有限元模型的建立

6．2 模拟结果及讨论

6．2．1 径向锻造变形的极图分析

6．2．2 径向锻造过程中晶粒取向演变分析

6．2．3 应变不均匀性分析

6．3 本章小结

7 结论与展望

7．1 全文总结

7．2 研究展望

致谢

参考文献

附录