数值模拟技术在金属材料固态加工中的应用

摘要

随着计算机科学、有限元及有限差分方法的发展,可以建立适当的理论模型,描述材料固态加工及热处理的物理过程.然后,采用有限元及有限差分法对这些物理过程的温度场、应力场、应变场、微观组织场等进行精确的定量数值模拟计算.只要通过少量的实验验证理论模型及数值模拟计算的准确性,就可以利用计算机对大量的实际材料固态加工及热处理过程进行准确的数值模拟.这样就实现了基于计算机数值模拟的虚拟材料固态加工及热处理过程.通过大量的计算机数值模拟计算,可以建立材料固态加工及热处理工艺参数与材料固态加工及热处理后性能的定量关系.这些数值模拟计算结果可以用于优化材料固态加工及热处理工艺参数.论文主要包括以下内容:建立了船用钢板激光弯曲成形过程的热弹塑性力学模型.对船用钢板激光弯曲成形过程的温度场、应力场及应变场进行了数值模拟.研究了板材厚度、板材宽度、激光功率和激光扫描速度对激光弯曲成形最终弯曲角度的影响.进行了钢板激光弯曲成形实验,实测了钢板的温度及弯曲角度.钢板的温度和弯曲角度的数值模拟结果与实验测量结果符合较好.建立了发动机油底壳冲压成形过程的弹塑性力学模型.对发动机油底壳在冲压成形过程的应力、应变及厚度分布进行了数值模拟.实测了发动机油底壳冲压成形后的厚度分布.厚度分布的数值模拟结果与实验测量结果符合较好.建立了GH4169高温合金大环形零件惯性摩擦焊过程的热弹塑性力学模型.对GH4169高温合金大环形零件惯性摩擦焊过程的温度场、应力场及应变场进行了数值模拟.对GH4169高温合金大环形零件惯性摩擦焊过程的温度及轴向缩短量进行了计算机实时测量.温度及轴向缩短量的数值模拟结果与实验测量结果符合较好.建立了特殊钢棒线材热连轧过程的热弹塑性力学模型.对304不锈钢棒线材18道次热连轧过程的温度场、应力场及应变场进行了数值模拟.实测了304不锈钢棒线材18道次热连轧过程各道次的表面温度.表面温度的数值模拟结果与实验测量结果符合较好.建立了激光相变硬化过程的热弹塑性力学模型.对激光相变硬化过程的温度场、应力场和激光相变硬化区的宽度及深度进行了数值模拟.实测了激光相变硬化区的宽度和深度及残余应力分布.激光相变硬化区的宽度和深度及残余应力分布的数值模拟结果与实验测量结果符合较好.建立了35CrMo钢圆柱体大型锻件淬火冷却过程的传热学、相变模型.对35CrMo钢圆柱体大型锻件淬火冷却过程的温度场、组织场进行了数值模拟.实测了35CrMo钢圆柱体大型锻件淬火冷却过程的温度和淬火后的组织场.温度和淬火后组织场的数值模拟结果与实验测量结果符合较好.建立了真空热处理过程的传热学模型.对GH4169高温合金零件真空热处理过程的温度场进行了数值模拟.预测了GH4169高温合金零件在真空炉中加热过程的滞后时间.实测了GH4169高温合金零件真空热处理过程温度随时间的变化.温度随时间变化的数值模拟结果与实验测量结果符合较好.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1论文工作的目的及意义

1.2论文的主要工作

1.3国内外研究进展

1.3.1金属板材激光弯曲成形研究进展

1.3.2金属板材冲压成形数值模拟研究进展

1.3.3惯性摩擦焊数值模拟研究进展

1.3.4棒线材轧制过程数值模拟研究进展

1.3.5金属材料热处理过程数值模拟研究进展

第二章金属材料固态加工及热处理数值模拟的基本理论

2.1传热学基本原理

2.1.1温度场

2.1.2热量传递的三种基本方式

2.1.3热量传递的基本定律

2.1.4热传导方程

2.1.5导热问题的边界条件及初始条件

2.2弹塑性力学基本理论

2.2.1材料的弹塑性性质

2.2.2弹性力学基本理论

2.2.3弹塑性力学基本理论

2.2.4热弹塑性力学基本理论

2.3传热学的有限差分法

2.3.1传热学有限差分法的基本原理

2.3.2有限差分方程的建立

2.3.3边界节点差分方程的建立

2.4传热学的有限元法

2.4.1有限元法的基本思想

2.4.2非稳定热传导问题的有限元法

2.4.3非线性热传导问题的加权余量法

2.5弹塑性力学的有限元法

2.5.1弹性力学的有限元法

2.5.2弹塑性力学的有限元法

2.5.3热弹塑性力学的有限元法

2.6热处理过程组织场定量计算原理

2.6.1钢的组织转变动力学

2.6.2孕育期叠加原理

第三章船用钢板激光弯曲成形过程的数值模拟

3.1板材激光弯曲成形过程热力耦合模型的建立

3.1.1传热学模型

3.1.2热弹塑性力学模型

3.1.3有限元方程

3.2模拟结果与分析

3.2.1温度场模拟结果

3.2.2应力场及变形场的模拟结果与分析

3.3模拟结果的实验验证

3.4板材形状对激光弯曲成形影响的数值模拟研究

3.4.1板材厚度对弯曲成形的影响

3.4.2板材宽度对弯曲成形的影响

3.5激光工艺参数对激光弯曲成形影响的数值模拟

3.5.1激光功率对弯曲成形的影响

3.5.2激光扫描速度对弯曲成形的影响

3.6小结

第四章发动机油底壳冲压成形过程的数值模拟

4.1板材冲压成形过程的力学模型

4.2发动机油底壳冲压成型过程的数值模拟

4.2.1模型的建立

4.2.2 A型油底壳冲压成型过程的数值模拟及实验验证

4.2.3 B型油底壳冲压成型过程的数值模拟及实验验证

4.3小结

第五章GH4169高温合金大环形件惯性摩擦焊过程的的数值模拟

5.1惯性摩擦焊接过程热力耦合模型

5.2温度场及变形场的数值模拟结果

5.3温度随时间变化的数值模拟结果

5.4应力场的数值模拟结果

5.5应力随时间变化的数值模拟结果

5.6数值模拟结果的实验验证

5.7小结

第六章特殊钢棒线材热连轧过程的数值模拟

6.1特殊钢棒线材热连轧过程热力耦合模型的建立

6.2连轧过程温度场的数值模拟结果及分析

6.2.1轧件温度场的数值模拟结果

6.2.2轧件温度随时间变化的数值模拟结果

6.3轧件应力场及应变场的数值模拟结果

6.4轧件温度随时间变化数值模拟结果的实验验证

6.5小结

第七章金属材料热处理过程的数值模拟

7.1金属材料表面激光相交硬化过程的数值模拟

7.1.1激光相变硬化过程温度场的数值模拟

7.1.2激光相变硬化过程组织场的数值模拟

7.1.3激光相变硬化过程应力场的数值模拟

7.2大型锻件淬火过程温度场及组织场的数值模拟

7.2.1圆柱体大型锻件淬火过程温度场及组织场计算模型

7.2.2圆柱体大型锻件淬火过程温度场的数值模拟结果

7.2.3圆柱体大型锻件淬火过程组织场的数值模拟结果

7.2.4数值模拟结果的实验验证

7.3高温合金复杂零件真空热处理过程的数值模拟

7.3.1零件在真空热处理炉中加热过程的传热学模型

7.3.2 GH4169零件真空加热过程温度场的数值模拟结果

7.3.3数值模拟结果的实验验证

7.4小结

全文总结及展望

创新点摘要

参考文献

攻读博士学位期间发表和完成的论文

致谢

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