典型加载路径的超塑性自由胀形数值模拟研究

【摘要】随着超塑性理论的发展和超塑性成形技术的逐渐成熟，超塑性成形受到了人们越来越高的重视，超塑成形技术的发展和应用前景也变得越来越广。其中超塑性气压胀形是制造难变形材料复杂零部件的一种有效工艺方法，与常规工艺相比,可减轻构件重量，显著降低制造成本，目前在航空航天等领域有着广泛的应用。然而，超塑性气压胀形加工的时间长，零件在高温下的变形过程十分复杂，容易出现孔洞、壁厚分布不均匀、晶粒长大等缺陷，所以如何改善提高超塑性成形件的质量、缩短成形时间是研究超塑性成形的重点和难点。由于大多数超塑性材料的结构敏感性都很大，所以它们的变形规律和应力状态都会受到加载路径的影响，不同的加载路径会使胀形件的应变速率敏感性指数、应力、应变、应变速率以及厚度分布等等产生不同的变化，进而对超塑成形质量和成形时间产生影响。所以对于研究不同的加载路径对超塑性胀形各项参数的影响、不同加载路径下的力学分析以及典型加载路径下的有限元模拟都有重要的现实意义，也会对进一步的实验研究和实际生产提供必要的理论基础。本文即是在这一思想指导下，在对各种不同加载路径进行了充分认识和研究后，以AZ31镁合金为研究对象，利用有限元分析软件Marc，对典型加载路径下的超塑性胀形过程进行了数值模拟，分析了超塑性自由胀形件在不同加载路径下的厚度分布规律、应力应变分布规律，以此可以预测工件的成形缺陷（缩颈、破裂等）。对比了在不同应变速率敏感性指数下的厚度分布曲线以及不同成形高度、不同成形压力下的应力、应变、厚度等的分布情况，确定了应变速率敏感性指数和成形压力对超塑性胀形的影响规律，优化了超塑性成形过程中的成形工艺参数；并对比了两种不同加载路径下成形件的厚度分布、应力分布的优劣情况。在模拟成功并有较好准确性的基础上，本文从胀形件各节点的坐标值出发，以宋玉泉解析法和有限元模拟结果为基础，对两种典型加载路径下的各向应力、各向应变以及等效应力、等效应变和胀形厚度分布等进行了一定的计算分析，使得我们对于胀形件的力学分析更加的准确和直观。并将各项解析分析结果和模拟输出结果进行了对比，进一步说明了模拟参数设计的合理性和模拟结果的准确性。理论分析以及模拟结果均显示，自由胀形在胀形件顶点处保持恒应变速率时，可得到最佳的胀形件，所以本文通过有限元模拟软件MSC.MARC在恒应变速率条件下模拟得出的胀形结果，获得了超塑性胀形时的压力-时间曲线，并以此确定出超塑气胀成形实验时的实际压力-时间曲线，为超塑气胀成形的实验研究奠定了基础。最后，依据数值模拟结果，对超塑性胀形实验装置的加载系统进行了改造设计，改造后的加载装置可以实现自由胀形实验时各种典型加载路径，并阐述了实现自由胀形实验时各种典型加载路径加载的详细步骤。
【作者】赵健；
【导师】马品奎；
【作者基本信息】吉林大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】超塑自由胀形；加载路径；力学解析；数值模拟；实验加载系统；

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