曲轴锻造过程金属流动与微观组织演化规律的数值模拟研究

摘要

曲轴作为发动机中的重要部件，其力学与组织性能要求较高。然而，实际锻造生产中经常会出现充不满、裂纹、折叠、变形、凹坑等缺陷，即使成形完整，也可能在磁粉探伤中显现出磁痕。因此，掌握曲轴锻造过程中的金属流动规律和微观组织演化规律就显得尤为重要。本文以天润曲轴生产的29D曲轴为研究对象进行了相关数值模拟研究，为了探讨曲轴锻造中可能存在的缺陷和磁痕产生的原因，对曲轴锻造过程进行了金属流动和微观组织演化的耦合模拟。
　　 在对比不同金属热塑性成形过程中微观组织演化数值仿真技术的基础上，选择结合微观组织演化模型的有限元法作为本文的技术方法。由于现有有限元软件的微观组织演化分析模块还不够完善，对于微观组织演化模型的适用性较差，所以选择Deform软件作为二次开发平台，构建了微观组织演化程序。提出了模拟动态再结晶过程的实现方法——平均值替代法，该方法简化了数据处理过程，使编程得以实现。提出了编程过程中存在的宏观-微观耦合、参数更新、数据清零等问题的解决方案，完成了微观组织演化程序的开发。
　　 使用Deform-2D对圆柱体镦粗过程和后桥法兰锻造过程的微观组织演化进行了数值模拟，分析了两者的微观组织演化规律，并将模拟结果与相关文献进行了对比，验证了本文构建的微观组织演化程序的可靠性。在此基础上，将程序移植到Deform-3D中，并对微观组织演化程序作出了相应的修改，使之能够适合六面体等其它类型的网格。
　　 使用本文基于Deform二次开发构建的微观组织演化程序对29D曲轴锻造过程进行了宏观-微观的耦合模拟，分析了曲轴锻造过程的金属流动规律、应力场、应变场、温度场以及微观组织演化规律。建模过程中借助Hypermesh作为网格划分工具，大大提高了网格的质量和美观度，避免了因网格质量差可能对模拟结果产生的不良影响。基于模拟结果，揭示了29D曲轴预锻和终锻过程中的材料变形规律，探讨了锻件可能存在的缺陷以及磁痕产生的可能原因，为优化工艺及模具结构，减少锻造缺陷，消除磁痕提供了技术支持。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 曲轴锻造工艺及其数值模拟技术研究进展

1．3 曲轴锻造中存在的问题

1．4 本文主要研究内容

第二章 热塑性成形过程微观组织演化模型及程序开发

2．1 引言

2．2 热塑性成形过程中微观组织演化机理

2．3 微观组织演化数值仿真技术

2．3．1 蒙特卡罗模型法

2．3．2 元胞自动机法

2．3．3 相场理论模型法

2．3．4 几何拓扑模型法

2．3．5 结合微观组织演化模型的有限元法

2．3．6 各种模拟方法的对比

2．4 微观组织演化模型

2．4．1 动态再结晶临界应变

2．4．2 动态再结晶

2．4．3 亚动态再结晶

2．4．4 静态再结晶

2．4．5 晶粒长大

2．4．6 常用微观组织演化模型

2．5 Deform二次开发基础

2．6 微观组织演化程序开发

2．6．1 微观组织演化程序在有限元程序中的位置

2．6．2 主程序结构

2．6．3 动态再结晶过程的实现方法研究

2．6．4 程序编写及相关问题的解决方案

2．7 本章小结

第三章 微观组织演化程序验证

3．1 引言

3．2 圆柱体镦粗过程微观组织演化数值模拟

3．2．1 模型及工艺参数

3．2．2 微观组织演化模型

3．2．3 模拟结果的对比分析

3．3 后桥法兰锻造过程微观组演化数值模拟

3．3．1 模型及工艺参数

3．3．2 微观组织演化模型

3．3．3 模拟结果的对比分析

3．4 Deform-3D中的微观组织演化数值模拟

3．5 本章小结

第四章 曲轴锻造过程金属流动与微观组织演化的耦合模拟

4．1 引言

4．2 29D曲轴锻造工艺

4．3 42CrMoA的微观组织演化模型

4．4 预锻过程的有限元耦合建模

4．4．1 预锻过程数值仿真网格模型

4．4．2 预锻过程初始条件设置

4．4．3 微观组织演化分析建模

4．5 预锻模拟结果分析

4．5．1 预锻前热模拟分析

4．5．2 金属流动规律分析

4．5．3 温度场分析

4．5．4 应变场和应力场分析

4．5．5 微观组织演化模拟结果分析

4．6 锻造间隙内的数值模拟

4．6．1 热模拟结果分析

4．6．2 微观组织演化模拟结果分析

4．7 终锻过程的数值模拟

4．7．1 终锻过程的数值仿真模型

4．7．2 金属流动分析

4．7．3 温度场分析

4．7．4 应变场和应力场分析

4．7．5 微观组织演化模拟结果分析

4．8 29D曲轴问题分析

4．8．1 锻造缺陷分析

4．8．2 磁痕问题分析

4．9 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间完成的论文