BT20鈦合金筒體三旋輪非對稱熱旋有限元模擬及試驗研究.pdf

1、筒形件強力旋壓是公認的制造大型薄壁筒形件的首選工藝，廣泛應(yīng)用于航空航天和兵器等許多工業(yè)部門。盡管目前對三旋輪對稱分布的筒形件強旋已進行了較多的理論與工藝研究，但對三旋輪非對稱分布的筒形件強旋研究很少，而且熱旋研究得更少。BT20鈦合金作為一種近α型的通用結(jié)構(gòu)材料，具有較高的比強度、熱穩(wěn)定性和良好的焊接性能，在航空航天中有著廣闊的應(yīng)用前景，但其塑性較低，筒形件旋壓必須采用熱旋成形。開展 BT20鈦合金大型薄壁筒形件的熱旋成形研究，對于提高

2、我國武器裝備的性能、加速國防現(xiàn)代化具有重要意義。
　　為了研究 BT20鈦合金的材料特性并確定其合理的熱變形參數(shù)，本文在Gleeble-1500熱模擬試驗機上進行恒應(yīng)變速率壓縮試驗，研究了 BT20鈦合金的熱變形行為和熱變形參數(shù)對變形組織的影響規(guī)律，揭示了其動態(tài)變形機制。在熱模試驗的基礎(chǔ)上，首次確定了 BT20鈦合金旋壓的最佳溫度范圍。熱旋試驗結(jié)果表明本文所確定的最佳溫度范圍是合理的。基于熱模擬試驗所獲得 BT20鈦合金的流動應(yīng)力

3、曲線，通過對 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法進行改進，建立了含兩個隱層的BT20鈦合金高溫本構(gòu)關(guān)系的BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，預(yù)測值與試驗結(jié)果吻合較好，表明 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠很好的預(yù)測 BT20鈦合金在不同變形條件下的高溫流動應(yīng)力，為 BT20鈦合金熱變形的有限元模擬提供了精確的材料本構(gòu)模型。
　　基于Markov變分原理和傳熱平衡微分方程，建立了金屬熱變形過程的熱力耦合三維剛粘塑性有限元計算模型，對筒形件非對稱熱旋有限元模擬中的一些關(guān)鍵問題，如考慮

4、接觸區(qū)輪廓的有限元網(wǎng)格自動離散、空間斜約束的處理、動態(tài)邊界條件和傳熱邊界條件的處理以及后處理技術(shù)等進行了研究，在此基礎(chǔ)上首次自主開發(fā)了一套筒形件熱旋成形的三維剛粘塑性熱力耦合有限元模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)有完善的前處理和后處理功能，具有較高的自動化程度和通用性。采用該模擬系統(tǒng)成功的進行了筒形件熱旋過程變形場的有限元模擬，模擬結(jié)果與葉山益次郎的試驗結(jié)果較為吻合，說明本文針對筒形件旋壓有限元模擬關(guān)鍵技術(shù)的處理是正確的，所開發(fā)的三維有限元模擬系統(tǒng)是可

5、靠的，具有較高的實用價值。應(yīng)用該軟件進行熱力耦合計算，首次揭示了非對稱熱旋的變形特點和溫度變化規(guī)律，合理的分析了非對稱熱旋中可能出現(xiàn)的各種成形質(zhì)量問題，為筒形件非對稱熱旋試驗研究奠定了理論基礎(chǔ)。
　　為了成形高質(zhì)量的BT20鈦合金薄壁筒形件，結(jié)合有限元模擬結(jié)果研究了 BT20鈦合金筒形件熱旋過程中出現(xiàn)裂紋、隆起、鼓包等各種質(zhì)量缺陷的原因，并提出了相應(yīng)的控制措施。同時，研究了旋壓工藝參數(shù)對于脹徑量的影響規(guī)律，以此為基礎(chǔ)進行了 BT2

6、0鈦合金筒形件非對稱熱旋試驗研究，獲得了筒形件熱旋的合理工藝方案，成功的旋制出了質(zhì)量較高 BT20鈦合金小型筒形件。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)工件情況經(jīng)過合理調(diào)整，獲得了鈦合金大口徑筒形件的熱旋成形方案，旋制出了成形質(zhì)量良好的BT20鈦合金大口徑薄壁筒形件。該項研究為我國今后成形鈦合金等難變形材料高質(zhì)量的大口徑薄壁筒形件提供了有力的技術(shù)支撐。
　　為了獲得組織性能良好的鈦合金筒形件，本文還研究了 BT20鈦合金熱旋及旋后熱整形時的組織性能變