难变形材料环件轧制过程的三维有限元数值模拟

摘要

环形件是航空发动机关键锻件的一个重要类型。航空发动机的压气机机匣、涡轮机匣、结合环等零部件均采用价格昂贵的高温合金和钛合金环件制造。因此环件的质量和制造技术对于提高发动机的性能水平和使用寿命，降低研制成本，提高发动机研制能力都具有十分重要的影响。采用轧制技术成形的环件具有组织致密、强度高、韧性好等优点，是铸造或其他制造技术所不能替代的。因此，轧制环件是目前航空、航天发动机中承力环形件零件毛坯的主要来源。 由于环件轧制过程的特殊复杂性，对环件轧制过程进行三维有限元数值模拟是近年来环轧技术发展的研究热点之一。本文针对难变形材料环件轧制过程三维有限元数值模拟中的关键问题进行了深入研究。取得了新见解如下： 采用理论分析和实验研究相结合的方法，系统研究了环件径/轴双向复合轧制过程中运动学关键参数的变化规律，建立了环件瞬时直径，直径增长速率，双向变形量的分配关系，锥辊转速的匹配关系等关键参数的新的计算方法，并进行了相关的试验验证，计算数据与试验数据吻合良好。同时所建立的计算公式物理意义明确，形式简单从而为建立环件轧制的三维有限元模型奠定了基础，并可显著提高计算效率。 对目前塑性加工领域常用的有限元软件进行了系统的对比分析，在保证计算精度的前提下选用弹塑性有限元显式算法和成熟的LS-DYNA软件作为基础平台建立了环件轧制过程三维有限元计算模型。运算结果表明与常用刚塑性方法和软件相比，本文所选用的计算方法和模型，在保证相同计算精度的条件下，计算效率显著提高。 系统分析和研究了环件轧制过程三维有限元数值模拟实施过程中若干关键问题的处理技术。提出了材料属性定义、网格划分技术、接触方式、摩擦和传热边界条件，进给速度和锥辊转速等关键环节的特殊处理方法。从而建立了能够客观反映难变形材料环件径/轴双向复合轧制过程动态特性的三维有限元模型。并应用所建立的模型对GH4169合金XX环件的实际轧制过程进行了三维有限元分析。 根据模拟结果，详细揭示了径/轴双向复合轧制过程中环件的网格、尺寸、形状变化规律，以及径向和轴向环件凹坑的产生原因。定量分析了整个轧制过程环件内的温度、等效应变、双向轧制力的分布和演化情况。同时对不同的径向和轴向进给速度对径轴双向复合轧制过程中轧制力，直径增长速率及温度分布的影响进行了系统分析，并进行了相应的实验验证。计算结果和试验数据表明，在轴向工艺或径向工艺一定的条件下，相应的径向或轴向轧制力随着进给速度的增大而增大；直径增长速率也随进给速度的增大而增大；进给速度不大的条件下，进给速度的变化对环件温度的分布影响不大。本文所提出的径/轴双向复合轧制运动学关键参数计算方法和所建立的环件轧制过程三维有限元模型可以为完善环件精密轧制理论，提高环件精密轧制工艺设计的科学性，以及开发新型轧制工艺和过程控制技术奠定基础。

目录

文摘

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本论文的主要创新与贡献

第一章绪论

1.1环件轧制概况

1.1.1环件轧制的特点

1.1.2环件轧制技术经济性：

1.2国内外环件轧制技术水平对比

1.3环件轧制研究现状

1.3.1试验研究

1.3.2理论研究

1.3.3有限元法在环件轧制过程中的应用

1.4难变形材料GH4169合金概况

1.5本文的研究背景及意义

1.6本文的主要研究内容

第二章环件轧制有限元数值模拟基本原理

2.1引言

2.2弹塑性有限元方法

2.2.1全量理论边值问题

2.2.2增量理论的边值问题

2.3动态显式算法与静态隐式算法的对比

2.4显示有限元算法理论

2.4.1基本方程和控制条件

2.4.2有限元空间离散

2.4.3显式时间积分与时步控制

2.4.4单点高斯积分和沙漏控制

2.4.5质量缩放与混合时间积分

2.5显式有限元中的热传导基本理论

2.6接触问题

2.6.1接触问题的处理

2.6.2摩擦的处理

2.7本章小结

第三章径/轴双向轧制过程关键运动参数的数学描述

3.1引言

3.2双向进给量的匹配关系

3.3轧制过程中环件运动规律的数学模型。

3.3.1环件的旋转运动

3.3.2轧制过程中环件圆心的位置关系

3.3.3轧制过程中环件尺寸的演化规律

3.3.4环件尺寸与轧制时间的关系

3.3.5试验方法

3.3.6试验验证分析

3.4芯辊的直线进给运动规律

3.5锥辊的运动规律

3.5.1孔型转速的调整

3.5.2轴向立柱的移动

3.6本章小结

第四章径/轴双向轧制过程三维有限元建模及关键技术

4.1引言

4.2有限元模型的建立

4.2.1几何模型的建立

4.2.2单元类型

4.2.3材料属性的设置

4.2.4网格划分

4.2.5接触方式和摩擦的确定

4.2.6热边界

4.3载荷施加的处理

4.4同刚塑性算法比较

第五章GH4169环件双向轧制过程的三维有限元数值模拟

5.1引言

5.2工艺方案的确定

5.3轧制过程中的环件形状变化

5.3.1网格的变化

5.3.2宽展的表现

5.3.3环件的圆度

5.4进给速度对双向轧制过程的影响

5.4.1进给速度对轧制力的影响

5.4.2轧辊进给速度对环件增长速率的影响

5.4.3进给速度对温度的影响

5.5双向轧制模拟具体分析与试验的对比

5.5.1应变场

5.5.5温度的验证

5.5.3几何尺寸的验证

5.5.4载荷行程曲线图

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间所发表的学术论文

致 谢