基于SHPB试验及仿真的钛合金切削数值模拟研究

摘要

钛合金(Ti-6Al-4V)以其比强度高、耐氧化性好、耐腐蚀性好等特点被广泛应用于航空、航天、化工、机械等众多领域，然而钛合金的难切削加工性极大地制约了它的进一步推广应用。因此，研究适合钛合金切削加工有限元仿真的准确本构模型参数，对钛合金加工具有重要的指导作用，对提高航空工业的制造水平具有积极的意义。
　　本文首先完成了钛合金Ti-6Al-4V的金相观测以充分了解材料的微观显微结构。为了获得Ti-6Al-4V在宽温度域、宽应变率域范围的应力应变关系，设计了20℃~700℃、2500 s-1~10000s-1条件的SHPB试验。结合SHPB试验结果来分析应变、应变率及温度对流动应力的影响规律，并利用遗传算法优化拟合出Ti-6Al-4V的J-C模型参数。
　　采用SHPB试验拟合获得的J-C模型参数对钛合金Ti-6Al-4V进行SHPB试验有限元仿真，结合试验结果对仿真结果进行应变率、流动应力、试样剪切形貌验证。验证结果显示试验与仿真中的应变率、流动应力、试样剪切形貌较好吻合，说明本文获得的J-C模型参数能够准确地预测SHPB试验条件的材料力学行为。
　　采用SHPB试验拟合而得的J-C模型参数对钛合金正交切削过程进行有限元仿真。同时,根据仿真结果所预测的切削速度与塑性应变率之间的关系来设计钛合金正交切削试验，并利用切削试验结果分析切削速度对切削力、切屑形态的影响规律。此外，将切削区域塑性应变率在10000s-1范围内切削条件下的仿真结果与试验结果进行对比，发现吻合度较好，说明该组J-C模型参数能够准确地预测钛合金切削区域塑性应变率在10000s-1范围内的切削过程，为钛合金切削有限元仿真提供了一种行之有效的材料本构建模方法。

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字母注释表

第一章 绪论

1.1 课题的背景及意义

1.2 钛合金的物理力学性能及切削加工特性

1.3 有限元仿真在钛合金切削中的应用

1.4 材料模型的研究现状

1.5 本文研究的主要内容

第二章 钛合金SHPB试验及本构模型建立

2.1 引言

2.2 SHPB原理与试验装置

2.3 钛合金SHPB试验

2.4 SHPB试验结果分析

2.5 J-C本构模型建立

2.6 本章小结

第三章 钛合金SHPB试验的有限元仿真

3.1 引言

3.2 SHPB试验的数值模拟

3.3 SHPB试验与仿真结果对比

3.4 本章小结

第四章 钛合金正交切削有限元仿真及试验验证

4.1 引言

4.2 变应变率正交切削的有限元仿真

4.3 钛合金正交切削试验研究

4.4 试验与仿真结果对比

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢