大尺寸薄壁陶瓷缸套等静压成型过程的数值模拟研究

摘要

先进结构陶瓷具有强度高、耐高温、耐腐蚀等一系列优点，在复杂的工作条件下表现出优异的性能，现已成为金属制品的有力替代产品，广泛应用于冶金、石油、机械、国防军工、航空航天等领域中。天津大学经多年研究，充分利用氧化锆制品高强度、耐腐蚀等优秀物理性能，成功开发了增韧氧化锆陶瓷缸套。 增韧氧化锆陶瓷缸套采用冷等静压成型方法，陶瓷粉末冷等静压成型过程中影响因素多，成型规律复杂。一直以来，在工艺设计方面，一般都是依靠设计者的经验，或采用反复实验的方法来确定，此种方法效率很低。采用有限元模拟可以掌握粉末材料的成型规律，了解各因素的影响作用，可从根本上解决工艺设计过于依靠经验的问题，达到改进产品质量，提高工艺设计效率之目的。 本文以增韧氧化锆陶瓷缸套为研究对象，对陶瓷粉末的冷等静压成型过程进行模拟研究，分析粉末成型过程中几何变形规律、粉末流动规律、密度分布规律、应力应变场分布，并对影响粉末成型的工艺参数分析研究。研究发现，成型时靠近芯轴的粉末颗粒率先进入致密化阶段，并且致密化趋势由芯轴向外扩展。模拟所得结果，误差1％左右，与实验结果较为一致。 在粉末CIP成型过程中，通过调整卸压时间，发现较低的卸压速度有利于获得较高的坯体密度，双卸压速度卸压方式可以提高成型件相对密度分布均匀性，减小成型件左上角密度梯度区，提高成型件卸压安全性。 随着成型压力的增大，坯体的致密化程度提高，并且在成型压力大于200MPa时，成型件弹性回复量减小，卸压更安全，采用稍大于200MPa的成型压力可有利于提高成型件成品率，也便于脱模。 使用刚性压盖，对坯体密度整体分布影响较小，成型件端面具有非常规整的几何外形，但成型出的坯体具有“象足”外观，且此处有密度梯度区的减小，成型效果较好。

目录

文摘

英文文摘

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第一章前言

1.1背景和研究目的

1.2研究内容和研究方法

1.3本章小结

第二章文献综述

2.1粉末成型工艺概况

2.2陶瓷粉末压制成型原理

2.2.1粉末压制过程

2.2.2粉末成型期间的摩擦

2.2.3压坯的弹性后效现象

2.2.4影响粉末压制成型的因素

2.3等静压成型技术

2.3.1冷等静压成型原理

2.3.2湿式等静压成型工艺

2.3.3冷等静压成型技术的特点及应用

2.4有限元法的发展及应用

2.4.1有限元法的原理和要点

2.4.2有限元法的发展、现状和未来

2.4.3大变形弹塑性有限元理论

2.5陶瓷粉末压制成型过程有限元模拟研究进展概况

2.5.1陶瓷粉末干压成型过程有限元模拟

2.5.2陶瓷粉末冷等静压成型过程有限元模拟

2.6陶瓷粉末冷等静压压制成型有限元模拟的意义

2.7陶瓷粉末等静压成型过程有限元模拟研究的问题

2.7.1有限元数值模拟中使用的材料模型

2.7.2陶瓷粉末等静压成型过程影响因素分析

2.8本章小结

第三章陶瓷粉末压制成型的理论模型

3.1粉末材料的变形及特征

3.1.1基础理论的发展

3.1.2粉末材料的变形特征

3.1.3粉末材料的致密化

3.2粉末材料的屈服准则

3.2.1粉末材料屈服准则的表达形式

3.2.2 MARC中的粉末材料Shina屈服准则

3.2.3粉末材料屈服准则中材料参数的确定

3.3本章小结

第四章陶瓷粉末冷等静压成型过程的数值模拟

4.1陶瓷粉末冷等静压成型的物理几何模型

4.2分析模型的确立

4.2.1分析问题类型

4.2.2材料模型的确定

4.2.3有限元模型的建立

4.2.4初始条件的确定

4.2.5边界条件的确定

4.2.6接触条件的确定

4.2.7加压路径的设定

4.3模拟计算结果与分析

4.3.1等静压成型过程中粉末体的几何变形特征

4.3.2粉末成型过程中的流动规律

4.3.3应变变化规律

4.3.4粉末成型过程中密度变化规律

4.3.5应力变化规律

4.3.6模拟结果与实验结果的对比

4.4本章小结

第五章陶瓷粉末冷等静压成型工艺参数的探讨

5.1卸压速度对坯体成型件相对密度的影响

5.2成型压力对坯体质量的影响

5.2.1成型压力对坯体弹性回复的影响

5.2.2成型压力对坯体结构性能的影响

5.3压盖材质对粉末体成型性能的影响

5.4本章小结

第六章结论

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢