复合材料液态浸渗挤压过程的有限元模拟

摘要

液态浸渗挤压是近年来发展起来的一种融液态模锻和固态挤压为一体的新成形工艺,其工艺实质是使液态基体金属在压力下渗入纤维预制体中,发生压力下结晶凝固,并在液-固态或刚凝固态经受大的挤压塑性变形,一次成形出金属基复合材料的型材类制件.该文采用有限元法模拟了液态浸渗挤压复合材料浸渗过程温度场,采用有限差分法模拟了液态金属渗流场,将两者间接耦合分析计算,得到了浸渗区域的温度变化曲线、浸渗前沿及浸渗速度随时间变化等曲线.对模拟结果分析研究表明,纤维半径、浸渗压力、液态金属粘度系数和纤维预制体的体积分数等影响液态金属的浸渗速度及浸渗过程.利用刚-粘塑性直接耦合有限元法,通过有限元软件对成形过程温度场、应力应变场进行模拟,为合理确定工艺参数提供了科学依据.在温度场的模拟中,模拟结果表明,保压时间是影响制件成形质量的关键因素之一,挤压速度、液态金属浇注温度、预制体预热温度和模具预热温度等工艺参数对温度场的影响也很大,需进行参数之间的协调,只有当变形区内部始终维持准固态时,才能实现稳定的液-固挤压成形过程;在变形场的模拟中,根据液态浸渗挤压的成形特征,选用了双曲正弦刚-粘塑性有限元计算模型,研究了变形过程中应力应变场的变化规律,研究了模角对变形和金属流动的影响及变形力的变化过程和其影响因素.模拟结果与试验结果基本吻合,说明该文采用的计算模型是合理的,为进一步优化工艺参数提供了数值模拟手段.并且利用有限元软件的优越性和强大的非线性求解功能,对液态浸渗挤压过程进行了很好的模拟,利用软件完善的后处理功能,得到了完美的等值线和带状云图.该文成功地运用有限元分析软件解决了集高压浸渗、热传导、凝固和大变形为一体的液态浸渗挤压工艺过程的数值模拟问题,为该工艺的参数优化和实际应用提供了理论依据.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1引言

1.2相关领域的研究现状

1.2.1液态浸渗挤压工艺的特点及其研究现状

1.2.2压力浸渗及其研究现状

1.2.3刚-粘塑性有限元法及其应用研究

1.3选题的目的及意义

1.4主要研究内容

第二章复合材料液态浸渗挤压浸渗过程的分析

2.1引言

2.2基本假设

2.3液态浸渗渗流场模拟

2.3.1流体流动方程

2.3.2纤维预制体渗透系数表达式

2.3.3流速的计算

2.3.4计算流经第i批单元的时间

2.4液态浸渗温度场模拟

2.4.1复合材料物理性能的计算

2.4.2浸渗过程的热传导方程

2.4.3热传导方程的有限元列式

2.4.4时间差分格式的选取

2.5数值模拟过程及模拟结果分析

2.5.1数值模拟过程

2.5.2模拟结果及分析

2.6本章小结

第三章液态浸渗挤压成形过程中热力耦合有限元分析

3.1引言

3.2刚-粘塑性有限元法

3.2.1刚-粘塑性材料的边值问题

3.2.2刚-粘塑性材料的变分原理

3.2.3刚-粘塑性有限元求解的基本公式

3.3瞬态轴对称温度场的有限单元法

3.3.1热传导问题的基本方程

3.3.2含内热源的瞬态轴对称温度场有限元法

3.3.3热传导方程的时间积分方案

3.4变形与传热的热力耦合计算模式

3.5本章小结

第四章模拟过程中关键问题的处理

4.1引言

4.2 MARC软件的介绍

4.3液态浸渗挤压工艺本构关系的确定

4.4动态边界条件的处理

4.4.1接触体的定义和刚体的运动描述

4.4.2摩擦边界条件的选择

4.4.3摩擦生热热流的计算

4.4.4变形体与环境(包括模具)的传热边界的处理

4.5结晶潜热的处理

4.6塑性功转化的内热源的计算

4.7网格重新划分

4.8迭代收敛判据的确立

4.9本章小结

第五章模拟结果及分析

5.1引言

5.2模拟结果及分析

5.2.1液态浸渗挤压过程中温度场的分析

5.2.2液态浸渗挤压过程中变形场的分析

5.3本章小结

第六章结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

西北大学学位论文知识产权声明书和原创性声明