3104鋁合金熱軋過程有限元分析及應(yīng)用.pdf

1、熱軋加工條件對(duì)鋁合金產(chǎn)品的組織及性能具有重要的影響。在零部件的材料加工生產(chǎn)中，為了達(dá)到特定的技術(shù)指標(biāo)要求，其軋制規(guī)程的制訂通常采用實(shí)驗(yàn)和糾錯(cuò)的方法，這種單憑重復(fù)實(shí)驗(yàn)的“經(jīng)驗(yàn)”性試錯(cuò)方法不僅消耗大量的時(shí)間和財(cái)力，而且無(wú)法獲得工藝過程中變化的全面規(guī)律，從而延滯了新材料與新產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用。
　　 隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的迅速發(fā)展和對(duì)材料成形過程物理規(guī)律研究的深入，有限元等數(shù)值模擬技術(shù)逐漸在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，正在深刻地改變著傳

2、統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造方式。
　　 熱軋過程包含金屬傳熱、變形和顯微組織演變等多種現(xiàn)象，各種現(xiàn)象之間相互作用和影響。本文借助于實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，在有限變形理論的基礎(chǔ)上，采用大型商用有限元軟件MSC.Marc開發(fā)了一個(gè)熱力耦合的熱軋板帶數(shù)學(xué)模型，可對(duì)軋制過程中3104鋁合金厚度方向任意節(jié)點(diǎn)上的溫度和變形情況進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，同時(shí)研究了各種軋制工藝參數(shù)對(duì)熱軋過程溫度和變形的影響。通過用戶定義子程序二次開發(fā)技術(shù)將顯微組織演變特性融入上述有限元模

3、型，可用來(lái)對(duì)軋制道次間的顯微組織(靜態(tài)再結(jié)晶)演變進(jìn)行量化分析。其成果對(duì)于優(yōu)化軋制工藝、預(yù)報(bào)產(chǎn)品質(zhì)量和指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)等，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和理論意義。本文的主要研究工作如下：
　　 1)利用Gleeble-1500熱模擬機(jī)，對(duì)不同溫度和變形條件下3104鋁合金的高溫變形行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法確定了3104鋁合金流變應(yīng)力模型及材料常數(shù)，為熱軋過程溫度、變形及顯微組織分析提供了理論基礎(chǔ)。
　　 2

4、)在實(shí)驗(yàn)室熱軋實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)測(cè)了不同軋制工藝條件下軋制力和溫度在軋制過程中的變化情況，獲得了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為數(shù)值模擬計(jì)算中的一些復(fù)雜參數(shù)(如接觸換熱系數(shù))的設(shè)定提供了可靠的數(shù)據(jù)論證。
　　 3)使用MSC.Marc商用非線性有限元軟件，綜合考慮了熱軋過程中的溫度及變形現(xiàn)象，建立了熱力耦合的熱軋有限元仿真模型，分析了軋制過程中軋件溫度的變化規(guī)律及變形場(chǎng)的分布情況，并研究了工藝參數(shù)對(duì)溫度變化及變形場(chǎng)分布的影響。<

5、br>　　 4)采用雙道次熱壓縮實(shí)驗(yàn)，對(duì)3104鋁合金靜態(tài)再結(jié)晶規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了3104鋁合金在熱加工條件下顯微組織演變的規(guī)律，然后嵌入到上述熱力耦合有限元模型，能夠?qū)堉七^程中的顯微組織演變進(jìn)行數(shù)值模擬，從而推算出軋制過程中軋件在厚度方向上的靜態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)。
　　 5)研究了多道次軋制過程中有限元實(shí)現(xiàn)方法中很多關(guān)鍵技術(shù)。采用網(wǎng)格重劃分的技術(shù)解決了多道次熱軋過程中網(wǎng)格嚴(yán)重畸變，從而影響計(jì)算精度和效率的問題；利用Ma

6、rc的二次開發(fā)技術(shù)解決了多道次熱軋過程有限元幾何模型間節(jié)點(diǎn)溫度、累積塑性應(yīng)變以及自定義變量的數(shù)據(jù)傳遞問題；軋制階段和非軋制階段(軋制間隙)采用不同的時(shí)間步長(zhǎng)來(lái)設(shè)計(jì)模擬工況，且根據(jù)軋制過程是否達(dá)到穩(wěn)定，采用自適應(yīng)步長(zhǎng)和固定步長(zhǎng)技術(shù)組合，合理分配計(jì)算過程中時(shí)間步長(zhǎng)的大小和所需的時(shí)間，從而極大限度地縮短模擬時(shí)間，提高運(yùn)算效率。
　　 6)為了驗(yàn)證所開發(fā)模型的正確和可靠性，采用該系統(tǒng)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)“1+4”鋁熱連軋生產(chǎn)線進(jìn)行了模擬，并將模擬