3104鋁合金熱軋過程有限元分析及應用.pdf

1、熱軋加工條件對鋁合金產(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，為了達到特定的技術指標要求，其軋制規(guī)程的制訂通常采用實驗和糾錯的方法，這種單憑重復實驗的“經(jīng)驗”性試錯方法不僅消耗大量的時間和財力，而且無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)與應用。
　　 隨著計算機科學的迅速發(fā)展和對材料成形過程物理規(guī)律研究的深入，有限元等數(shù)值模擬技術逐漸在材料科學與工程領域得到了廣泛應用，正在深刻地改變著傳

2、統(tǒng)的產(chǎn)品設計、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。本文借助于實驗研究結果，在有限變形理論的基礎上，采用大型商用有限元軟件MSC.Marc開發(fā)了一個熱力耦合的熱軋板帶數(shù)學模型，可對軋制過程中3104鋁合金厚度方向任意節(jié)點上的溫度和變形情況進行分析和預測，同時研究了各種軋制工藝參數(shù)對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)技術將顯微組織演變特性融入上述有限元模

3、型，可用來對軋制道次間的顯微組織(靜態(tài)再結晶)演變進行量化分析。其成果對于優(yōu)化軋制工藝、預報產(chǎn)品質(zhì)量和指導實際生產(chǎn)等，具有重要的應用價值和理論意義。本文的主要研究工作如下：
　　 1)利用Gleeble-1500熱模擬機，對不同溫度和變形條件下3104鋁合金的高溫變形行為進行了實驗研究，根據(jù)實驗結果，采用數(shù)理統(tǒng)計的方法確定了3104鋁合金流變應力模型及材料常數(shù)，為熱軋過程溫度、變形及顯微組織分析提供了理論基礎。
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4、)在實驗室熱軋實驗臺上進行了大量的實驗研究，實測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，獲得了大量的實驗數(shù)據(jù)，為數(shù)值模擬計算中的一些復雜參數(shù)(如接觸換熱系數(shù))的設定提供了可靠的數(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)律及變形場的分布情況，并研究了工藝參數(shù)對溫度變化及變形場分布的影響。<

5、br>　　 4)采用雙道次熱壓縮實驗，對3104鋁合金靜態(tài)再結晶規(guī)律進行了實驗研究，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，能夠對軋制過程中的顯微組織演變進行數(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)再結晶百分數(shù)。
　　 5)研究了多道次軋制過程中有限元實現(xiàn)方法中很多關鍵技術。采用網(wǎng)格重劃分的技術解決了多道次熱軋過程中網(wǎng)格嚴重畸變，從而影響計算精度和效率的問題；利用Ma

6、rc的二次開發(fā)技術解決了多道次熱軋過程有限元幾何模型間節(jié)點溫度、累積塑性應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)采用不同的時間步長來設計模擬工況，且根據(jù)軋制過程是否達到穩(wěn)定，采用自適應步長和固定步長技術組合，合理分配計算過程中時間步長的大小和所需的時間，從而極大限度地縮短模擬時間，提高運算效率。
　　 6)為了驗證所開發(fā)模型的正確和可靠性，采用該系統(tǒng)對工業(yè)現(xiàn)場“1+4”鋁熱連軋生產(chǎn)線進行了模擬，并將模擬