鋁合金大型復雜構(gòu)件熱處理過程的多場耦合模型與變形預報.pdf

1、Al-Si系是鑄造鋁合金中用途最廣的合金系,其中ZL114A合金以其優(yōu)良的鑄造性能、良好的耐腐蝕性及較高的比強度,廣泛應用在航空航天及汽車產(chǎn)業(yè)等領域。Al-Cu系中的ZL205A合金是另外一種被廣泛應用在航空航天等領域的鑄造鋁合金。航空航天等尖端技術的快速發(fā)展使鑄造鋁合金構(gòu)件的大型化、整體化及復雜化成為必然趨勢,熱處理作為鑄造鋁合金大型復雜構(gòu)件的最后一道熱加工工序就顯得尤為重要。預測和控制構(gòu)件的淬火殘余應力及淬火變形一直是航空航天領域迫

2、切需要解決的問題。影響鋁合金大型復雜構(gòu)件淬火殘余應力及變形的因素主要有構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點和尺寸大小,構(gòu)件材料的熱物性能和力學性能,淬火介質(zhì)的冷卻性能,構(gòu)件進入介質(zhì)的方式,邊界條件及人為因素等。但目前針對大型復雜構(gòu)件的淬火變形問題尚未有系統(tǒng)和全面的研究。
　　本文首先通過差示掃描量熱分析和金相分析的方法,確定了ZL114A和ZL205A合金的固溶溫度,分別為535-550℃和540-550℃。通過熱模擬實驗得到了兩種合金的應力-應變曲線

3、。應變速率不變時,應力隨著變形溫度的升高而降低。當溫度區(qū)間為300-500℃時,溫度不變時,應力隨著應變速率的升高而增加;但當溫度小于300℃時,應變速率對應力的影響不明顯。建立了溫度為350-500℃時這兩種合金的本構(gòu)方程。本構(gòu)方程計算的應力和實驗值非常吻合。將變量SYIELD,HARD(1),HARD(2)和HARD(3)的表達式寫入ABAQUS子程序UHARD中,本構(gòu)模型在ABAQUS平臺上得以實現(xiàn)。
　　基于淬火介質(zhì)冷卻特

4、性曲線,采用反傳熱法求得了介質(zhì)的動態(tài)換熱系數(shù)。通過對比實驗結(jié)果和模擬計算值,驗證了介質(zhì)動態(tài)換熱系數(shù)的精確性。介質(zhì)換熱系數(shù)是溫度的函數(shù),在整個溫度區(qū)間內(nèi)會出現(xiàn)峰值。溫度對水和5％UCON-A溶液的換熱系數(shù)影響很大,但對20號機械油換熱系數(shù)的影響不明顯。
　　基于FLUENT軟件分別建立了兩類淬火槽的介質(zhì)流場模型。隨著入口速度的增大,未置攪拌系統(tǒng)的淬火槽其介質(zhì)流速呈現(xiàn)增大的趨勢,但曲線峰值沒有規(guī)律性。對于置攪拌系統(tǒng)的淬火槽來說,導流筒

5、出口圓角過渡可明顯減小介質(zhì)流速損耗。介質(zhì)流速隨著攪拌器螺旋槳轉(zhuǎn)速的增大而增大,但介質(zhì)流動均勻性會隨之降低。螺旋槳的直徑越大,介質(zhì)流速越大。均流板可用來調(diào)節(jié)介質(zhì)流速及其流動均勻性。在介質(zhì)流場模擬精度得到驗證的基礎上,將FLUENT模擬計算與人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法結(jié)合起來,建立了以螺旋槳的轉(zhuǎn)速、均流板的位置及槽內(nèi)x的坐標位置為輸入,以介質(zhì)y向速度為輸出的網(wǎng)絡。網(wǎng)絡預測值與FLUENT模擬值的平均相對誤差為4.24%?？芍W(wǎng)絡具有高精度的預測性能,

6、由此成功實現(xiàn)了流場預測模型化向數(shù)字化的轉(zhuǎn)變。
　　基于ABAQUS有限元軟件,根據(jù)鋁合金軸對稱件的結(jié)構(gòu)特點,對其進行邊界條件、初始條件的設置及網(wǎng)格的劃分,建立了軸對稱件熱處理過程的熱力耦合模型。模擬計算了軸對稱件加熱、淬火轉(zhuǎn)移及淬火冷卻三個過程中的溫度場,分析了淬火殘余應力的大小。將軸對稱件熱處理后的應力場作為拉伸變形初始態(tài),建立了拉伸去應力的有限元模型。通過建立與文獻中三個鋁合金長方體塊相同的淬火及淬火后拉伸變形的模型,并與文獻

7、中的實驗和模擬結(jié)果進行對比,驗證了鋁合金熱處理過程熱力耦合的模擬精度及模擬結(jié)果的可靠性,也驗證了金屬小變形有限元模擬的可行性。
　　對鋁合金大型復雜構(gòu)件熱處理過程進行多場耦合模擬計算,研究了邊界條件、固溶溫度、介質(zhì)及其溫度、構(gòu)件的壁厚、構(gòu)件淬入介質(zhì)所需時間及介質(zhì)狀態(tài)等因素對構(gòu)件淬火殘余應力和變形的影響規(guī)律。邊界條件是大型構(gòu)件淬火變形的敏感因素。固溶溫度是構(gòu)件淬火變形的不敏感因素。構(gòu)件淬火殘余應力隨著水或5%UCON-A溶液溫度的升

8、高而降低。壁厚對構(gòu)件最大殘余拉應力的影響比最大殘余壓應力的明顯。構(gòu)件淬入介質(zhì)所需的時間對其殘余應力和變形均有影響。構(gòu)件x和y向淬火殘余拉應力的最大值隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速的增大而增大。螺旋槳轉(zhuǎn)速為0-600rpm時,轉(zhuǎn)速對構(gòu)件z向殘余拉應力最大值的影響不明顯,當轉(zhuǎn)速為900rpm時,構(gòu)件z向殘余拉應力的最大值較其它幾個轉(zhuǎn)速下的小。
　　最后驗證了實際大型復雜鋁合金構(gòu)件淬火變形的模擬結(jié)果。水溫為25℃和80℃時,構(gòu)件1的兩個特征部位的淬火變