切削加工中7B04铝合金本构模型

为建立切削加工中7B04铝合金Johnson-Cook本构模型,进行了准静态压缩试验和直角自由切削试验,根据大变形、高应变率和高温度下的材料应力-应变关系对本构模型的参数进行识别,提出了应变软化修正项和应变率硬化系数的形式,最后进行了试验验证,结果表明该模型能够准确模拟出7B04铝合金在切削过程中的应力。     

7050高强度铝合金流变行为研究

通过等温压缩试验研究了7050铝合金在变形温度300~450℃、应变速率0.01 s-1~10s-1条件下的流变应力变化规律,计算并建立了描述7050铝合金高温变形特性的本构方程.结果表明:变形温度和应变速率对7050铝合金流变应力影响显著,随变形温度升高和变形速率的降低,相同变形程度下合金的流变应力显著降低,并且在较低的应变下合金即可达到稳态流变状态.经计算,在本试验条件下,7050铝合金的热变形激活能为151.63 kJ/mol.     

J-C本构参数对绝热剪切影响的敏感性分析

 综合考虑应变、应变率和温度对绝热剪切的影响,通过理论推导建立了基于J-C本构方程的绝热剪切失稳判据。以45号钢、TC4钛合金和7050航空铝合金3种不同的金属晶格材料为例,计算得出了出现锯齿形切屑的临界切削速度,并以临界切削速度为参量,以敏感度作为衡量敏感性的统一标准,进行了本构参数对绝热剪切的敏感性分析,旨在说明J-C本构参数对绝热剪切的影响大小,为材料的本构研究和工程中绝热剪切的预测提供一定的理论参考。研究结果表明:3种材料中,TC4钛合金对绝热剪切的敏感性最大;J-C本构参数对锯齿形切屑的出现皆有影响,对绝热剪切的敏感性最大的是本构参数A,次大的是硬化系数n。     

航空常用铝合金动态拉伸力学性能探究

利用分离式Hopkinson拉杆设备对五种航空常用铝合金2A12-CZ,2A12-M,2024-T351,7050-T74,7050-T7451进行了室温动态拉伸力学性能探究,并利用电子万能试验机对这五种材料进行了准静态拉伸力学性能测试,得到了五种铝合金在不同应变率下的拉伸真实应力应变曲线。试验结果显示:7050系列铝合金有较高的屈服强度,2A12M抗拉强度则最低。五种航空铝合金都表现出不同程度的正的应变率敏感效应,其中2A12-CZ敏感性最强,7050T7451敏感性最弱。五种铝合金动态拉伸失效应变明显大于准静态拉伸失效应变。2A12M与2024T351有较高的动态拉伸失效应变。在试验结果的基础上,选择Johnson-Cook本构模型,Cowper-Symonds本构模型来拟合这五种材料的动态本构,模型预测与试验结果吻合较好。     

高速切削有限元模拟技术研究

有限元模拟是研究高速切削机理的有效方法,本文致力于有限元模拟所必需的关键技术研究。依据大变形理论和虚功原理对高速切削过程进行分析,建立了基于拉格朗日描述的有限元控制方程。通过研究材料动态本构关系、刀屑接触、切屑分离、切屑断裂和切削热动态耗散与传导关键技术建立了正交切削有限元模型,提出材料本构关系建立方法和切屑断裂能量解释观点,最后结合实例进行高速切削模拟,并对模拟结果进行分析和验证,指出所建立的有限元模型是合理的。     

铝合金蠕变试验及本构模型建立

对新铝合金7B04分别在三个不同时效温度(145℃,155℃,165℃)不同应力水平条件下进行了多组蠕变试验,试验表明温度、时间、应力对7B04铝合金的蠕变行为都有较大的影响;根据蠕变变形特征提出了能够较好描述材料蠕变行为的本构模型,并对试验数据进行非线性最小二乘拟合,得到了每个温度下的蠕变本构方程中的材料参数.     

面向高速切削的钛合金Ti-6Al-4V动态本构模型:综述

高速切削是实现钛合金等难加工材料高效、高质量加工的有效技术方法。钛合金高速切削加工过程具有高温、高应变和高应变率的热力强耦合非线性动态特征。为了准确描述高速切削时钛合金动态力学行为，对钛合金动态本构模型的研究进行综述。以钛合金Ti-6Al-4V为研究对象，从唯象模型和物理学模型的角度，分析了Johnson-Cook模型、Zerilli-Armstrong模型、Bammann模型的适用条件及优缺点。经综合比较，选取Johnson-Cook模型开展进一步探究，并且基于温度影响和竞争机制影响对Johnson-Cook修正模型进行分类，Johnson-Cook修正模型的预测精度与经典模型的预测精度相比均有所提高；同时提出可将构建唯象-物理学复合本构模型作为探究钛合金动态本构模型的重点方向，采取实验与计算机同步方法得到本构模型参数的最优解，从而提高动态本构模型的预测精度。     

航空铝合金铣削加工中切削力的数值模拟研究

为了弥补当前斜角切削数值模拟多采用直线刀刃的不足,结合立铣加工的实际情况,提出了适合立铣加工的螺旋齿单刃斜角切削有限元模型,进而对航空铝合金7050-T7451进行了铣削加工切削力的数值模拟研究,得到了切削力值。通过铣削力实验测得了同样切削条件下的铣削力值,数值模拟结果与实验值比较吻合,从而证明所建立的有限元模型是正确的,可用于预报铣削力值。铣削加工切削力的数值模拟研究为航空铝合金切削加工的工艺参数优化、刀具的合理选择及其优化设计奠定了基础,同时也为进一步有效控制整体结构件的加工变形提供了新的研究手段。     

基于改进Johnson-Cook模型的5083P-0铝合金动态本构关系研究

为研究5083P-0铝合金在高应变率下的力学行为及本构模型,通过RPL100材料试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB),对5083P-0铝合金进行了准静态及应变率范围950～3000 s-1的冲击动态压缩实验.结果 显示随着应变率的增加,5083P-0铝合金的屈服强度、流动应力增加,应变硬化率减小,具有应变硬化效应,正...     

金属丝网橡胶的本构关系

通过对圆环形金属丝网橡胶成型制造过程的分析,在圆环嵌套模型基础上,结合干摩擦非线性理论和小曲梁模型建立了金属丝网橡胶材料的非线性本构关系,对不同相对密度的金属丝网橡胶试件进行了静态压缩实验,通过实验数据确定了本构关系方程的各项系数并实验结果进行比较.研究结果表明:建立的本构关系模型可以很好地描述金属丝网橡胶的非线性力学特性,实验结果能够较好地符合理论结果,并且该模型反映了相对密度、网格大小和网格宽度等参数的影响,从而实现了对材料结构刚度的预估.      

TiB2/7050颗粒增强铝基复合材料热变形行为与热压工艺优化

分析TiB₂/7050颗粒增强铝基复合材料的热变形行为及工艺参数的影响规律,对其热变形后的组织设计和获得理想性能参数至关重要。基于此,针对TiB₂/7050颗粒增强铝基复合材料开展了相关研究。用Gleeble-3500热模拟机进行热压缩试验,研究了TiB₂/7050颗粒增强铝基复合材料在变形温度300~450 ℃、应变速率0.001~1 s-1时的热变形行为,建立了材料的双曲正弦本构方程;根据动态材料模型计算得出热加工图,优选了材料的热加工工艺窗口;对原始挤压成型坯料和优化工艺的热压成型坯料进行了力学性能测试和微观组织形貌分析。结果表明:两种成型工艺相比,热压件强度指标略有提高,但塑性大幅提高,其长横向断后延伸率提高400%;热压工艺件晶粒更加细小、且无明显择优取向;拉伸断裂机制均为准解理断裂,热压件断口韧窝更深、撕裂棱更粗大,表明塑性撕裂持续时间更长。      

Numerical approach for assessment of dynamic strength for riveted joints

Numerous rivets have to be modelled for aeronautical framework crashes. A numerical procedure based on FE modelling and characterisation of material failure constitutive models is proposed in order to limit the experimental procedure. Quasi-static and dynamic experiments are carried out on elementary tension (punched) and shear (riveted) specimens. No strain rate sensitivity has been measured on the riveted joint assemblies failure. The experiments are used to identify, by an inverse method, the Gurson damage parameters of each material (2024-T351 and 7050 aluminium alloys for the sheet metal plate and the rivet). The characterisation gives rise to a satisfactory correlation between FE models and experiments. Optimised parameters are validated for each material by means of a uniaxial tension test for the sheet metal plate and an ARCAN type specimen in pure tension for the rivet. Results can then be used to identify macroscopic failure criterion to model the rivet behaviour in aeronautical framework crashes. FE tools can also resolve problems linked to limit-design or the design of new riveted joint assemblies more rapidly and cost effectively than experiments.     

SHPB实验考虑绝热变形和端面摩擦的修正方法

采用高温分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术对GH4169高温合金进行测试,获得了材料在高应变率下的温度敏感性,并拟合了Johnson-Cook本构模型的参数。结合数值计算方法对压缩实验中试件内部的应力、应变以及温度的分布建立了一个半经验的数学模型并提出了一种新的参数修正方法,将端面摩擦效应、绝热变形升温效应与SHPB实验结果进行解耦。实验结果表明:温度越高,GH4169高温合金的屈服强度以及流动应力越小。并且在SHPB实验中GH4169高温合金存在明显的绝热变形升温效应和端面摩擦效应,导致实验结果并不能真实反映材料的硬化特性。通过对原始Johnson-Cook本构方程的硬化项乘以1.2的修正系数,发现修正后的本构参数准确反映了材料在高应变率下的应力应变特性。      

考虑温度效应的编织-嵌槽型金属橡胶准静态压缩本构模型

基于Sherwood-Frost本构方程,并结合材料的特点对考虑温度效应的编织-嵌槽型金属橡胶本构方程的组成及各项的表达形式进行了讨论及确定。根据准静态压缩试验得到的不同温度下编织-嵌槽型金属橡胶材料的试验数据,拟合了所构建本构方程中的参数,最后结合不同密度试件在不同温度下的试验数据,通过仿真对本构方程进行了验证。结果表明仿真结果与试验结果之间具有较好的一致性,所构建的本构方程基本可以满足对高温环境下编织-嵌槽型金属橡胶准静态本构关系的预估要求。     

Inverse identification of constitutive parameters of Ti2AlNb intermetallic alloys based on cooperative particle swarm optimization

Ti₂AlNb intermetallic alloy is a relatively newly developed high-temperature-resistant structural material, which is expected to replace nickel-based super alloys for thermally and mechanically stressed components in aeronautic and automotive engines due to its excellent mechanical properties and high strength retention at elevated temperature. The aim of this work is to present a fast and reliable methodology of inverse identification of constitutive model parameters directly from cutting experiments. FE-machining simulations implemented with a modified Johnson-Cook (TANH) constitutive model are performed to establish the robust link between observables and constitutive parameters. A series of orthogonal cutting experiments with varied cutting parameters is carried out to allow an exact comparison to the 2D FE-simulations. A cooperative particle swarm optimization algorithm is developed and implemented into the Matlab programs to identify the enormous constitutive parameters. Results show that the simulation observables (i.e., cutting forces, chip morphologies, cutting temperature) implemented with the identified optimal material constants have high consistency with those obtained from experiments, which illustrates that the FE-machining models using the identified parameters obtained from the proposed methodology could be predicted in a close agreement to the experiments. Considering the wide range of the applied unknown parameters number, the proposed inverse methodology of identifying constitutive equations shows excellent prospect, and it can be used for other newly developed metal materials.     

航空结构件铣削残余应力分布规律的研究

 采用三维有限元方法,模拟计算航空铝合金7050-T7451 材料在无内应力前提下数控铣削时产生的表层残余应力场。在综合考虑了现行的常规工艺方案基础上,从中选定4 种具有代表性的走刀路径分别进行分析计算,进而优选出最为合适的走刀工艺规则。走刀过程采用动态载荷步模拟,材料去除采用生死单元模拟,从而使计算结果更加精确、可信。通过本文的研究工作,可为提高该类材料数控铣削加工的尺寸稳定性确定合理的工艺策略。     

钛合金零件钻削过程仿真与试验研究

钛合金被广泛用于航空工业中,譬如民用飞机吊挂滑轨等典型结构的制造。钛合金作为难加工材料,通常使用钻削的方法进行加工,不同的钻削参数对应不同的钻削温度和钻削力,而钻削温度和钻削力对加工精度影响较大。为使加工参数和加工精度得到很好地匹配,借助Deform 3D有限元仿真软件建立了钛合金热应力耦合有限元模型,通过软件仿真研究钛合金滑轨在加工过程中的钻削力以及钻削温度。首先,对钻头和钛合金试件进行网格划分。其次,建立材料本构模型和切屑分离标准,使用仿真软件得到加工过程的钻削力和钻削温度。最后,采用试验方法获取钻削温度和钻削力,与仿真结果进行对比。结果表明:仿真结果与试验较为吻合,仿真能输出有效的钻削力和钻削温度。     

钛合金TC4高温动态压缩力学行为研究

利用分离式Hopkinson压杆和微型Hopkinson压杆测试钛合金TC4材料,在温度为20～800℃之间,应变率103/s和104/s下的压缩力学行为,定量研究温度和应变率对材料流动应力的影响规律。结果表明:随着温度升高,材料应变率呈现增大趋势,而随着应变率变化,材料温度敏感性变化不大。     

基于并行流变框架HTPB推进剂本构模型研究

基于并行流变框架提出了一种能够表征HTPB推进剂材料非线性变形行为的本构模型。基于Yeoh超弹性模型和Boyce流变模型建立了两节点HTPB推进剂本构模型;开展了HTPB推进剂定速单轴拉伸实验和松弛实验,利用单轴拉伸实验数据获取了本构模型参数,并对材料松弛行为进行了理论计算,结果表明,模型计算结果与和实验数据一致性超过90%。应用三维有限元法,采用本文模型、基于Prony级数的线性黏弹性模型和工程中使用的线弹性模型对拉伸实验和松弛实验进行了仿真分析,结果表明,在拉伸实验中当应变小于10%时三者一致性较好,大于10%时,所提本构模型可准确预示材料的变形行为,在松弛实验中本模型计算结果与实验数据一致性远高于基于Prony级数的线性黏弹性模型。理论分析和三维有限元仿真结果均表明,所建立的本构模型可以准确捕捉HTPB推进剂材料的非线性行为,可用于固体火箭发动机推进剂结构预示分析。     

Analytical model of cutting force in axial ultrasonic vibration-assisted milling in-situ TiB2/7050Al PRMMCs

Ultrasonic vibration-assisted milling has been widely applied in machining the difficult-to-cut materials owing to the remarkable improvements in reducing the cutting force. However, analytical models to reveal the mechanism and predict the cutting force of ultrasonic vibration-assisted milling metal matrix composites are still needed to be developed. In this paper, an analytical model of cutting force was established for ultrasonic vibration-assisted milling in-situ TiB₂/7050Al metal matrix composites. During modeling, change of motion of the cutting tool, contact of tool-chip-workpiece and acceleration of the chip caused by ultrasonic vibration was considered based on equivalent oblique cutting model. Meanwhile, material properties, tool geometry, cutting parameters and vibration parameters were taken into consideration. Furthermore, the developed analytical force model was validated with and without ultrasonic vibration milling experiments on in-situ TiB₂/7050Al metal matrix composites. The predicted cutting forces show to be consistent well with the measured cutting forces. Besides, the relative error of instantaneous maximum forces between the predicted and measured data is from 0.4% to 15.1%. The analytical model is significant for cutting force prediction not only in ultrasonic-vibration assisted milling but also in conventional milling in-situ TiB₂/7050Al metal matrix composites, which was proved with general applicability.