5083鋁合金力學(xué)性能及超塑性成形數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著環(huán)境污染和能源短缺問題的日益尖銳,各大交通運(yùn)輸工具制造商都加快對(duì)交通工具輕量化的研究與開發(fā),而鋁合金作為飛機(jī)、航天器以及汽車輕量化的理想材料,已成為當(dāng)前航空航天工業(yè)、汽車工業(yè)開發(fā)研究的熱點(diǎn),但其常溫下難以加工成形,制約了鋁合金的應(yīng)用。而在超塑性狀態(tài)下成形是目前解決鋁合金成形最為有效的方法之一。為此,本文開展了鋁合金力學(xué)性能與超塑性成形工藝的研究。首先,采用恒應(yīng)變速率單向拉伸法,研究了材料在不同溫度、不同應(yīng)變速率下的塑性、超塑性性能,

2、確定了材料最佳成形參數(shù),并建立了隨溫度變化的本構(gòu)模型；其后,進(jìn)行了超塑脹形有限元模擬,改進(jìn)了氣壓加載方式,分析了單元類型、摩擦對(duì)模擬結(jié)果的影響；同時(shí),首次模擬了超塑性差溫拉深,詳細(xì)研究了毛坯幾何形狀、壓邊間隙、溫度差、摩擦系數(shù)對(duì)板料差溫拉深性能的影響；最后,在模擬的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了三套實(shí)驗(yàn)?zāi)＞呒俺尚喂に?分別對(duì)AIRBUS支架件進(jìn)行脹形、差溫拉深及恒溫拉深實(shí)驗(yàn),并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別與模擬結(jié)果比較。
　　 通過恒應(yīng)變速率單向拉伸實(shí)驗(yàn),首次

3、研究了AA5083合金在溫度為100～535℃、應(yīng)變速率為0.013～0.00005s-1范圍內(nèi)的力學(xué)性能,獲得最大延伸率為525℃、0.0002s-1應(yīng)變速率下的397％。結(jié)果表明:200℃溫度以下,AA5083材料延伸率較低,且隨著應(yīng)變速率的提高而減小,無超塑性；250℃溫度以上,AA5083合金呈現(xiàn)超塑性,各試樣延伸率隨溫度的升高而提高,并具有應(yīng)變速率敏感性。各拉伸曲線流變應(yīng)力隨溫度的升高而減小、隨應(yīng)變速率的增大而增大:基本呈現(xiàn)應(yīng)

4、變硬化、應(yīng)變硬化與應(yīng)變軟化動(dòng)態(tài)平衡的穩(wěn)態(tài)流變和應(yīng)變軟化三種現(xiàn)象,各種現(xiàn)象表現(xiàn)程度隨溫度、應(yīng)變速率不同而相異。分析了應(yīng)變、應(yīng)變速率對(duì)應(yīng)變速率敏感性指數(shù)的影響。采用Hollomon經(jīng)驗(yàn)公式擬合真應(yīng)力.應(yīng)變曲線中的應(yīng)變硬化階段,測(cè)定了n值。建立了AA5083合金在100～525℃溫度、0.013～0.008s-1應(yīng)變速率范圍內(nèi)修正的粘塑性本構(gòu)模型,結(jié)果表明:該模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值吻合良好。
　　 改進(jìn)了MARC軟件默認(rèn)的壓力加載算法,

5、對(duì)AA5083支架件進(jìn)行了超塑性脹形模擬。結(jié)果表明:零件的幾何模型對(duì)材料成形的厚度分布影響顯著,設(shè)計(jì)零件時(shí)應(yīng)盡量避免小圓角半徑、大深寬比及形狀突變；優(yōu)化的加載方式控制了變形集中區(qū)域的變形速度,改善了板料的成形性能,厚度分布更均勻。分析討論了實(shí)體單元、殼單元及膜單元模擬,對(duì)板料超塑脹形厚度分布、壓力.時(shí)間曲線的影響。結(jié)果表明:殼單元最適合模擬板料成形。此外,改善超塑性脹形中的潤(rùn)滑條件,亦可提高板料流動(dòng)性能。
　　 改變了AA508

6、3支架工件模型及模具,采用二次開發(fā)MARC軟件,首次成功模擬了該材料超塑性差溫拉深。分析了零件的拉深比,表明應(yīng)用常規(guī)拉深無法一次成形該工件。而采用凹模為525℃、凸模為150℃差溫拉深,1.05～1.1倍板厚剛性壓邊間隙、優(yōu)化的毛坯及0.1mm/s的拉深速度,成形了厚度分布均勻、高度滿足要求、減薄率明顯低于超塑性脹形的工件。分析了壓邊間隙對(duì)工件材料流動(dòng)、壓邊力及拉深力的影響；并且研究了凸、凹模溫度差、摩擦對(duì)提高拉深性能的重要作用。

7、>　　 在超塑性脹形及差溫拉深模擬的基礎(chǔ)上,對(duì)AIRBUS支架件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。采用脹形模擬獲得的優(yōu)化及默認(rèn)加載曲線,控制實(shí)驗(yàn)中氣體壓力加載。結(jié)果表明:默認(rèn)的加載曲線,壓力加載速度過快,致使工件變形速度太大,厚度減薄嚴(yán)重而破裂；優(yōu)化的加載曲線,成功成形了AA5083支架件,且其模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好,但工件整體變薄嚴(yán)重,厚度分布不均勻。依據(jù)模擬獲得的參數(shù),進(jìn)行了超塑性差溫拉深實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:差溫拉深工藝、形狀優(yōu)化的毛坯、無凸緣及形狀突