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。     

GH4169高温合金高应变率本构关系试验研究

 基于高应变率下GH4169高温合金的本构关系是采用有限元法对GH4169高温合金进行切削加工数值分析研究的基础。本文针对GH4169高温合金,通过试验对其在温度为室温至1 000 ℃、应变率为2 000～10 000 s^-1的范围内的本构关系进行了研究。研究发现高应变率下GH4169高温合金的流动应力与塑性应变关系接近线性关系,同时温度影响着高应变率下应变率对本构关系的影响程度及方式。根据GH4169合金流动应力曲线的特点,对Johnson-Cook本构模型进行修正。基于试验结果,通过数据拟合确定了对应高应变率GH4169高温合金的材料常数,建立了描述GH4169高温合金高应变率下的本构模型,为切削加工有限元数值分析提供了理论基础,并为相关类似研究提供了思路。     

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。      

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。     

置氢处理对TC4钛合金流变行为的影响

应用材料试验机及霍普金森压杆装置(SHPB)对切削用置氢TC4钛合金进行了静态和动态压缩实验,获得了不同温度和应变率下的应力-应变曲线。实验中应变率范围为0.001～15000s-1,温度范围为293～973K。分析比较了合金流变应力对温度及应变率的敏感性。结果表明,置氢TC4钛合金具有较强的热软化效应,而应变率强化效应则相对较弱。随氢含量的增加,流变应力呈现先减小后增大的规律,氢含量0.3%时,最大降幅达25%。根据流变应力的变化规律及相关切削理论,对实验中切削力及切削温度的变化情况进行了分析。最后基于Johnson-Cook本构模型,拟合了模型中的参数,其预测值与实验结果吻合较好。     

基于BP人工神经网络喷射成形7055铝合金的本构模型

基于Gleeble热力模拟技术对喷射成形7055铝合金的高温流变应力特征规律进行研究,并构建耦合应变量的唯象型Arrhenius本构方程用以预测合金的流变应力,同时基于BP人工神经网络构建该材料的神经网络型本构方程对比预测流变行为。结果表明:喷射成形7055铝合金的流变应力状况受变形参数的影响较为显著,与变形温度呈负相关,并与应变速率呈正相关。利用两类本构模型预测该合金的流变应力,其中唯象型Arrhenius本构方程的平均相对误差δ值大于2%,该模型的预测误差随变形温度升高呈上升趋势,且在热加工温度区间下(450℃左右),平均绝对误差及平均相对误差达到峰值,较难精准预测该变形区间内合金的流变应力特征。而BP人工神经网络模型的预测准确度更高,平均相对误差δ值仅为0.813%,且具有较高的温度稳定性。     

GH4169高温合金高速切削表层微观组织分布规律研究

高速切削过程中,剧烈的塑性变形和极高的切削温度容易引起已加工表层材料的微观组织缺陷,从而成为工件服役过程中疲劳断裂的潜在风险。本文结合试验测试和有限元仿真研究了GH4169高温合金高速加工表层材料的微观组织演变规律及形成机制。开展了高速正交切削试验,并通过电子背散射衍射（EBSD）技术观测了已加工表层材料的微观组织。随后,基于修正的Johnson–Cook本构模型建立了GH4169高温合金高速正交切削有限元分析模型,并获得切削过程中工件表层材料的温度场和应变场。结果表明,已加工表层材料的温度、应变和微观组织均呈现梯度分布特征,近表层材料的晶粒细化至纳米级。切削过程中产生的梯度分布的力–热载荷是导致已加工表层材料微观组织呈现梯度分布的原因。     

高Nb-TiAl合金高温力学行为本构建模仿真技术

针对新研制的高Nb-TiAl合金(Ti-45Al-8Nb-0.2W-0.2B-0.02Y(原子分数/%)),开展了750℃条件下不同应变速率的单轴拉伸、低周疲劳、疲劳-蠕变交互和蠕变试验,获得了相应试验条件下的试验数据和曲线,基于宏观唯象Chaboche黏塑性统一本构模型,采用Ohno-Wang修正项准确表征材料的循环硬化/软化行为。另外,为了准确模拟材料的加速蠕变阶段,在Chaboche黏塑性统一本构模型中耦合Kachanov损伤演化率,采用自适应的显式Euler法将微分形式的本构模型离散为差分方程组,并植入到有限元软件ABAQUS的用户材料子程序UMAT中,实现对高Nb-TiAl合金在不同试验条件下力学行为的仿真模拟。结果表明,采用考虑Ohno-Wang修正并耦合Kachanov损伤的Chaboche黏塑性统一本构模型能够准确模拟高Nb-TiAl合金不同应变速率的单轴拉伸、低周疲劳、疲劳-蠕变交互和蠕变行为,且预测精度较高,满足实际工程需要。     

Z-A模型的修正及在预测本构关系中的应用

Zerilli-Armstrong(Z-A)模型是基于热激活位错运动理论建立的具有物理理论基础的本构模型,但是模型建立的初始假设,降低了其预测精度.为此通过引入考虑应变率和温度耦合效应的应变强化指数对Z-A模型进行修正,拓展了其适用范围,并将修正后的Z-A模型应用于描述IC10合金在不同温度和应变率条件下的塑性流变行为.与修正前Z-A模型的预测结果及试验结果比较表明:修正后Z-A模型的预测精度有较大程度的提高,最大平均相对误差值从6.41%降低到3.65%.      

7050航空铝合金“单因素”本构模型参数与温度相关性研究

从理论和实验两方面研究7050航空铝合金"单因素"本构模型中参数与温度的相关性.通过位错理论分析和进行材料基本关系式推导指出铝合金材料模型受温度的影响.设计准静态压缩实验和高速冲击压缩实验研究材料的静、动态力学性能.通过对试验数据的分析、拟合和比较,得出7050航空铝合金"单因素"本构模型中的参数与温度相关的结论.根据试验结果建立材料参数与温度之间的数学映射,并在此基础上构建7050航空铝合金单因素"本构模型,最后进行切削实验验证模型的正确性.7050航空铝合金"单因素"本构模型的建立为进一步开展切削加工有限元模拟和进行工艺优化奠定基础.     

基于不同前角的航空铝合金切削过程分析

为合理选用刀具前角,研究前角变化对航空铝合金7050-T7451切削过程的影响.对前角影响进行理论分析,并借助有限元软件ABAQUS/Explict建立热力耦合的平面应变正交切削模型,采用Johnson-Cook材料本构关系及失效准则模拟不同刀具前角时切屑的形成过程,对比分析了前角变化对切屑形态、切削力和切削温度的影响.仿真结果表明,大前角的刀具有利于改善切削过程,但为避免产生带状切屑,合理的前角范围应为8°～l6°.通过对两种方法的分析结果对比,验证了有限元模型的准确性,对实际加工具有一定的指导意义.     

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。     

基于应变速率循环法的TA15钛合金超塑性本构方程

采用应变速率循环法对TA15钛合金进行三组高温超塑性拉伸试验,变形温度区间为850~950℃,应变速率循环区间为5×10-6~5×10-4s-1。分析拉伸试验数据后,计算出TA15钛合金动态再结晶激活能Q,结合金相组织分析得出其热变形过程中发生了动态再结晶的结论;并利用Arrhenius模型构建超塑性本构方程,应用origin数据处理软件进行数据分析,求得TA15钛合金高温条件下的超塑性本构方程。运用1stopt软件修正了该本构方程,使其精度达到99.3%。结果表明,TA15钛合金的流动应力对变形温度较为敏感,随着温度的升高,流变应力逐渐减小,软化机制愈发明显,且在900℃附近的超塑性较好,伸长率达到了846%。     

钛合金切削加工技术研究进展

钛合金是典型的难加工材料,加工时刀-屑接触面积小、应力大、温度高,刀具粘结磨损、扩散磨损严重。刀具材料的合理选择是应对钛合金加工的首要问题,含钛刀具在高速下可以用于切削钛合金。在一定条件下刀具表面形成稳定的钛合金粘接层,可以起到抑制磨损的作用。随着数值计算理论和软件工具的不断发展,切削过程仿真和预测必将在钛合金切削加工理论和技术的研究中起到越来越重要的作用。     

薄壁件周铣切削力建模与表面误差预测方法研究

薄壁件加工变形是影响加工精度与质量的关键因素,而切削力建模则是预测表面加工误差的基础。针对两种典型的切削力模型,系统地研究了薄壁件周铣加工过程中切削力变化及表面变形误差分布的有限元计算方法,提出了基于三维非规则网格的刀具/工件变形的耦合迭代格式以及恒定网格下材料去除效应的变刚度处理方法等关键技术,仿真过程充分考虑了切屑厚度变化及不同切削参数对预测结果的影响。以典型钛合金航空材料构件为例,数值计算结果与实验参考数据比较表明,两种切削力模型对同一切削过程的预测均具有很好的一致性。     

一种用于材料高温蠕变分析的统一粘塑性损伤本构模型

通过应变等效假设在本文提出的具有过应力特征的统一粘塑性本构模型［５］中引入了描述材料损伤的内变量。并且给出了一个基于组合功密度概念的新的损伤模型。同以往的唯象模型相比，该损伤模型具有较明确的细观物理意义，能反映应变率和应力状态对损伤演化发展的影响。     

基于大变形蠕变分析的持久寿命预测方法

提出一种基于真应力真应变弹塑性蠕变本构模型和大变形有限元分析的高温构件持久寿命预测方法.该方法利用以真应力-真应变表示的材料高温拉伸应力-应变曲线建立材料的弹塑性模型,基于蠕变曲线建立蠕变本构模型,并采用大变形有限元方法计算高温构件在给定载荷下的变形响应曲线,根据其响应曲线的变化趋势来确定构件持久寿命.通过TC11钛合金缺口试件500℃下的持久试验对上述方法进行验证,并与三种基于小变形分析的持久寿命预测方法进行对比.结果表明:本工作提出的方法可以较准确地预测TC11缺口试件的高温蠕变响应和持久寿命,其预测精度优于基于关键点断裂应变、缺口净截面平均有效应力以及骨点应力的小变形有限元分析的寿命预测方法.     

宽温域柔性接头弹性件本构模型适用性研究

针对宽温域丁异戊橡胶弹性件开展了-55、-40、20、65℃下的单轴拉伸试验与剪切试验,研究其在不同温度下本构模型的适用性,验证了本构模型由一种变形对其他变形的预测能力,在此基础上采用有限元方法分析了各模型的计算误差,确定了丁异戊橡胶在不同温度不同应变下所适用的本构模型。结果表明,阶数越高的本构模型预测能力越差,低阶的Neo-Hookean模型预测能力最好,同时在丁异戊橡胶弹性件的有限元计算中,-55～20℃本构模型采用Yeoh模型与三阶五项式模型最好,20～65℃采用Yeoh模型计算精度最高。     

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。     

TB17钛合金高温压缩变形行为

通过Gleeble 3800热模拟试验机对TB17钛合金在变形温度860～980℃、应变速率为0.001～1 s~(-1)、最大变形量为70%下高温变形行为进行研究。通过材料参数与真应变之间的关系,利用Arrhenious本构方程关系式和Z参数建立流变应力和变形温度、应变速率和真应变三者之间的本构关系,并对组织进行分析。结果表明:TB17钛合金在应变速率为0.001～0.01 s~(-1)、变形温度为890～980℃下更容易发生连续动态再结晶,而在应变速率为0.1～1 s~(-1)下主要发生不连续动态再结晶;误差分析结果显示计算值与实测值平均相对误差为6%,说明建立的本构关系模型具有较高的准确度。