液固高壓成形中液固相連續(xù)轉變的力學建模及有限元模擬研究.pdf

1、液固高壓成形是指對處于液固相共存狀態(tài)的材料施加力的作用，使其產(chǎn)生一定量的塑性變形或塑性大變形，進而使其性能得以很大提高的成形工藝．液固高壓成形因其成形載荷低，制件性能好等優(yōu)點引起了國內(nèi)外學者的廣泛關注，在工藝實驗、性能測試、本構建模等方面已取得了很大的進展。然而在處理液固相連續(xù)轉變的力學建模及有限元模擬方面，仍存在很大不足．基于此，本文開展了以下幾方面的研究工作： (一)高溫固相區(qū)力學建模方法研究 針對高溫固相區(qū)的變形特

2、點，本文選用硬化效果不明顯的純應變率相關粘塑性本構模型描述其變形行為，并在經(jīng)典徑向返回算法的基礎上提出一種能夠高效、準確地積分此類本構模型的迭代徑向返回算法，克服了經(jīng)典徑向返回算法在積分此類剛性微分形式的本構模型時收斂性差的缺點，為液固高壓成形的力學建模創(chuàng)造了首要條件。 力學建模的另一個重要方面是確定本構模型中的材料參數(shù)．本文首次通過有限元法與優(yōu)化算法結合，基于參數(shù)反求法原理確定了本構模型中的材料參數(shù)，減小了由于分析法確定本構模

3、型參數(shù)時因引入過多假設所造成的誤差。 系統(tǒng)研究了通過液-固擠壓成形工藝制備的Al<,2>O<,3sf>/WLY12復合材料的高溫壓縮變形行為，獲得了復合材料在壓縮變形過程中載荷隨位移的變化曲線，基于選取的本構模型及提出的積分新算法，采用參數(shù)反求方法確定了Al<,2>O<,3sf>/WLY12復合材料的本構參數(shù)，為液一固擠壓成形工藝的有限元模擬研究奠定了基礎。 (二)液相區(qū)力學建模方法研究 本文基于單元去除法和材料

4、本構法建立了液相區(qū)的力學模型，用于模擬具有等靜壓及不可壓縮特性的液相區(qū)變形行為，系統(tǒng)論述了兩類理論模型及其在應用過程中的關鍵問題與處理方法．通過算例分析比較了兩類模型在模擬含液相固體變形中的優(yōu)缺點．結果表明，兩者得到的模擬結果基本相當，均可用于液相區(qū)變形行為的描述；單元去除法雖然精度較高，但實現(xiàn)液固相連續(xù)轉變的力學建模較為困難；材料本構法在液固相連續(xù)轉變的力學建模方面表現(xiàn)出更大的靈活性，然而對本構算法提出更高的要求．液相區(qū)力學模型的建立

5、克服了液固高壓成形力學建模中的一大難點。 (三)液固相連續(xù)轉變力學建模方法研究 基于不同液相區(qū)力學建模方法的優(yōu)缺點，本文建立了兩種液固相連續(xù)轉變的力學模型：一種基于單元去除法，研究了液固相區(qū)的動態(tài)更新、液固界面上流體單元的生成及分析結果之間的結果傳遞等過程；另一種基于材料本構建模的思想，將兩種材料模型集成到一個材料子程序中，通過判斷單元溫度，決定材料所處的狀態(tài)，高于液相區(qū)溫度的材料采用液相本構模型，低于液相區(qū)溫度的材料采

6、用高溫固相區(qū)本構模型．由此實現(xiàn)了液固相動態(tài)轉變的力學建模。 (四)液-固擠壓成形復合材料工藝有限元模擬研究 本文將液固高壓成形的力學建模方法應用于液-固擠壓成形工藝，對模具加熱、液態(tài)金屬浸滲及擠壓成形等工藝過程進行了有限元模擬，并與實驗結果進行了比較．結果表明，采用本文的建模方法能更準確地反映擠壓過程中坯料的變形狀態(tài)，與傳統(tǒng)的單相材料模型相比，計算得到的力能參數(shù)更接近實際，由此說明了本文建立的液固高壓成形力學模型的可靠性