鎂合金板帶熱軋熱力耦合有限元仿真分析.pdf

1、鎂合金板材在航空、航天、汽車(chē)，3C產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其制造技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前鎂合金研發(fā)的重點(diǎn)。鎂合金板材一般采用軋制成形的方法生產(chǎn)。準(zhǔn)確計(jì)算和匹配軋制過(guò)程各項(xiàng)工藝參數(shù)，可以提高鎂合金板帶的成型效率和質(zhì)量。板帶熱軋過(guò)程中，存在著幾何、材料特性、邊界條件等復(fù)雜多變量非線(xiàn)性及相互影響的問(wèn)題，給研究帶來(lái)很大的困難。近年來(lái)隨著計(jì)算技術(shù)以及模擬軟件的日益成熟和完善，將熱力耦合分析方法引入軟件程序中使應(yīng)用板材熱軋方面問(wèn)題的分析成為可能。

2、　　 鎂合金板帶熱軋過(guò)程中，精確地計(jì)算軋件內(nèi)部的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布是制定軋制工藝參數(shù)的關(guān)鍵，而在加工過(guò)程中，溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)是互相耦合的，溫度場(chǎng)的結(jié)果直接影響應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確性。為了分析該過(guò)程，本文采用大型非線(xiàn)性有限元商用軟件MSC.Marc，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)，建立彈塑性有限元模型。利用熱力耦合分析方法，模擬了AZ31鎂合金的軋制過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)：
　　 1.基于非線(xiàn)性有限元法基本原理，綜合軋件在大變形過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，建立了

3、用于描述大變形工件在參考系中位置的兩類(lèi)有限元方程，發(fā)現(xiàn)更新的拉格朗日描述方程較總的拉格朗日描述方程更具有普遍適用性，故本文中模型分析參數(shù)的設(shè)定選用更新的拉格朗日描述法。
　　 2.基于傳熱方程和大變形彈塑性理論，結(jié)合軋件軋制過(guò)程中的力平衡方程和能量平衡方程，建立了熱力耦合數(shù)學(xué)模型。得出了在每個(gè)時(shí)間增量步啟動(dòng)時(shí)，用當(dāng)前的位移增量修正域V和邊界S，在時(shí)間增量步內(nèi)交替間增量步內(nèi)交替迭代力平衡和能量平衡的求解規(guī)律，綜合比較幾種求解方法得

4、出完全的Newton-Raphson方法迭代求解最好，收斂判據(jù)則選擇位移檢查收斂。
　　 3. 根據(jù)AZ31鎂合金高溫變形的本構(gòu)方程，使用Marc軟件的接口，采用FORTRAN語(yǔ)言編寫(xiě)了流變應(yīng)力子程序。得到了AZ31鎂合金高溫流變應(yīng)力變化規(guī)律的材料模型。
　　 4.模擬了鎂合金板帶熱軋過(guò)程中的軋制力和軋制力矩，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，驗(yàn)證了模型的正確性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)二維模型模擬結(jié)果比三維模擬結(jié)果計(jì)算更精確，更節(jié)約大量的計(jì)算時(shí)間和計(jì)算

5、資源。
　　 5.基于三維和二維模型，模擬了板帶熱軋過(guò)程中的溫度場(chǎng)、變形速率、等效塑性應(yīng)力場(chǎng)和等效塑性應(yīng)變等情況，較為全面、系統(tǒng)地分析了這些參量沿著軋件各個(gè)方向的分布規(guī)律。溫度梯度在接觸面附近較大，遠(yuǎn)離接觸面的區(qū)域較小。軋制變形區(qū)域內(nèi)變形速率數(shù)值大小的分布與理論方程描述情況一致。等效塑性應(yīng)力場(chǎng)沿著軋件厚度方向的分布規(guī)律與應(yīng)變理論相同；沿寬度方向，中心處的應(yīng)力較小，大小分布較為均勻，邊部的應(yīng)力情況較為復(fù)雜。沿厚度方向，等效塑性應(yīng)變

6、從表面到中心逐漸減?。谎貙挾确较?，從中心到邊部應(yīng)變逐漸增大。
　　 6. 研究了不同工藝參數(shù)的改變對(duì)軋制力、溫度場(chǎng)以及寬展的影響。發(fā)現(xiàn)軋制力受壓下率和初始溫度變化的影響較為明顯，軋制力隨壓下率增大而變大，隨初始溫度升高而減小。高溫軋制時(shí)，不同的軋制速度對(duì)應(yīng)著軋件不同變形抗力，軋制速度越大，變形抗力也越大，材料就越難以屈服，軋制力越大。軋制力隨摩擦系數(shù)的變大而增大，增大的幅度較小。對(duì)于寬展，隨著壓下率增大，寬展量也在增大。當(dāng)B1=