液固高壓成形中液固相連續(xù)轉(zhuǎn)變的力學(xué)建模及有限元模擬研究.pdf

1、液固高壓成形是指對(duì)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(jìn)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(diǎn)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，在工藝實(shí)驗(yàn)、性能測試、本構(gòu)建模等方面已取得了很大的進(jìn)展。然而在處理液固相連續(xù)轉(zhuǎn)變的力學(xué)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(xué)建模方法研究 針對(duì)高溫固相區(qū)的變形特

2、點(diǎn)，本文選用硬化效果不明顯的純應(yīng)變率相關(guān)粘塑性本構(gòu)模型描述其變形行為，并在經(jīng)典徑向返回算法的基礎(chǔ)上提出一種能夠高效、準(zhǔn)確地積分此類本構(gòu)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(gòu)模型時(shí)收斂性差的缺點(diǎn)，為液固高壓成形的力學(xué)建模創(chuàng)造了首要條件。 力學(xué)建模的另一個(gè)重要方面是確定本構(gòu)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(jié)合，基于參數(shù)反求法原理確定了本構(gòu)模型中的材料參數(shù)，減小了由于分析法確定本構(gòu)模

3、型參數(shù)時(shí)因引入過多假設(shè)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(fù)合材料的高溫壓縮變形行為，獲得了復(fù)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(gòu)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(fù)合材料的本構(gòu)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(chǔ)。 (二)液相區(qū)力學(xué)建模方法研究 本文基于單元去除法和材料

4、本構(gòu)法建立了液相區(qū)的力學(xué)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(yīng)用過程中的關(guān)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(diǎn)．結(jié)果表明，兩者得到的模擬結(jié)果基本相當(dāng)，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(shí)現(xiàn)液固相連續(xù)轉(zhuǎn)變的力學(xué)建模較為困難；材料本構(gòu)法在液固相連續(xù)轉(zhuǎn)變的力學(xué)建模方面表現(xiàn)出更大的靈活性，然而對(duì)本構(gòu)算法提出更高的要求．液相區(qū)力學(xué)模型的建立

5、克服了液固高壓成形力學(xué)建模中的一大難點(diǎn)。 (三)液固相連續(xù)轉(zhuǎn)變力學(xué)建模方法研究 基于不同液相區(qū)力學(xué)建模方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文建立了兩種液固相連續(xù)轉(zhuǎn)變的力學(xué)模型：一種基于單元去除法，研究了液固相區(qū)的動(dòng)態(tài)更新、液固界面上流體單元的生成及分析結(jié)果之間的結(jié)果傳遞等過程；另一種基于材料本構(gòu)建模的思想，將兩種材料模型集成到一個(gè)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(gòu)模型，低于液相區(qū)溫度的材料采

6、用高溫固相區(qū)本構(gòu)模型．由此實(shí)現(xiàn)了液固相動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變的力學(xué)建模。 (四)液-固擠壓成形復(fù)合材料工藝有限元模擬研究 本文將液固高壓成形的力學(xué)建模方法應(yīng)用于液-固擠壓成形工藝，對(duì)模具加熱、液態(tài)金屬浸滲及擠壓成形等工藝過程進(jìn)行了有限元模擬，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較．結(jié)果表明，采用本文的建模方法能更準(zhǔn)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(jì)算得到的力能參數(shù)更接近實(shí)際，由此說明了本文建立的液固高壓成形力學(xué)模型的可靠性