大型锻件空洞缺陷的数值模拟研究

发布时间：2017-03-22 16:07

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【摘要】：大型锻件是国家核心设备组成的基本部件,在许多领域都发挥着举足轻重的作用,其生产质量水平在一定程度上反映了国家工业发展情况。大型锻件具有投资大、批量少、品种多、制造周期长等特点,这制约着大型锻件行业的快速发展。我国与国外发达国家大型锻件行业发展有一定差距,尤其是高品质、高重量的大型锻件的生产无法满足相关行业的发展需求。一些关键设备所需锻件的重量、尺寸都在逐渐增加,这样,如偏析、疏松、残余缩孔、粗晶等缺陷在钢锭中就越明显,这将会从很大程度上降低大型锻件的产品合格率。因此,大型锻件的锻造过程,不仅仅是锻件的成形过程,更重要的是修复缺陷、改善组织的过程。大型锻件尺寸大、重量大、生产成本高的特点决定了不易直接利用其进行镦粗试验。本文首先基于塑性有限元基本理论,分析及推导了大型锻件内部空洞缺陷演变模型以及闭合的判定准则。然后,运用Deform-3D数值模拟软件,对不同参数条件下的45号钢圆柱体进行模拟分析。得到锻件内部应力、应变分布、空洞闭合过程以及高径比、空洞位置、摩擦系数、温度等参数对空洞闭合的影响,并通过对比验证了结果的正确性。研究结果表明：对于无空洞的圆柱体,圆柱体模型高径比为1.6时,锻件的横向、轴向和对角线从中心到表面的各点,同一轴线上的点随着离中心距离的变大,点附近的等效应变逐渐减小,而对于同一点的等效应变是随着压下率的增加而逐渐增大的,近似成一定的线性关系。锻件镦粗时,锻件两端会出现难变形区域,当压下率为25%左右时,就出现了现翘曲现象。随着压下率的增加,翘曲现象越明显,当压下率大于50%时容易产生裂纹。空洞形状变化可以从镦粗模拟过程看出,经过球形→椭球形→裂缝→细小裂纹→闭合的过程,并且空洞基本上是从空洞中心附近开始慢慢贴合,且逐步扩展到空洞的两个侧边,当压下率到空洞临界闭合值时,空洞会全部闭合：通过分析空洞周围点的应力、应变大小和分布特点,可以看出空洞在闭合时,空洞附近的应力应变会发生剧烈变化,空洞会闭合,但不是晶体组织上的焊合。锻件高径比在1附近时,是空洞的最佳闭合条件,空洞最容易闭合；高径比和压下率是影响大型锻件中空洞缺陷闭合的主要因素；摩擦系数、温度及空洞尺寸对空洞闭合的影响不大；空洞位置对空洞闭合的影响相对较大,但由于大型锻件的空洞大多集中于锻件心部,可只考虑空洞位于心部的相关研究。
【关键词】：有限元 数值模拟 大型锻件 空洞缺陷 模型 镦粗 影响因素
【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG316
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 引言11-14
• 1.2 大型锻件内部常见缺陷14-19
• 1.2.1 空洞14-15
• 1.2.2 残余缩孔和疏松15-16
• 1.2.3 非金属性夹杂16-17
• 1.2.4 裂纹17
• 1.2.5 白点17-18
• 1.2.6 粗晶18-19
• 1.3 大型锻件内部空洞缺陷闭合研究进展19-23
• 1.3.1 空洞闭合的物理模拟和实验研究19-20
• 1.3.2 空洞闭合的数值模拟研究20-22
• 1.3.3 空洞闭合的理论研究22-23
• 1.4 本课题研究意义及研究内容23-25
• 1.4.1 研究意义23-24
• 1.4.2 本文主要研究内容24-25
• 第2章 数值模拟的基本理论25-33
• 2.1 有限元法简介25
• 2.2 DEFORM有限元软件25-26
• 2.2.1 DEFORM有限元软件简介25
• 2.2.2 DEFORM-3D的功能25-26
• 2.3 塑性成形中的有限元技术26-32
• 2.3.1 塑性有限元技术的发展26-27
• 2.3.2 刚塑性有限元基本方程27-28
• 2.3.3 有限元变分原理28-29
• 2.3.4 弹塑性大变形本构方程29-31
• 2.3.5 有限元法求解过程31-32
• 2.6 本章小结32-33
• 第3章 大型锻件内部空洞模型及其演化与空洞闭合准则33-41
• 3.1 空洞模型33-35
• 3.2 空洞模型演化计算35-36
• 3.2.1 空洞演变机制35
• 3.2.2 空洞闭合准则35-36
• 3.3 空洞损伤模型36-40
• 3.3.1 空洞损伤模型理论36-39
• 3.3.2 空洞损伤模型计算39-40
• 3.4 本章小结40-41
• 第4章 圆柱体镦粗的数值模拟研究41-56
• 4.1 镦粗心部无空洞圆柱体的数值模拟41-46
• 4.1.1 建立有限元模型41-42
• 4.1.2 模拟结果分析42-46
• 4.2 镦粗心部带空洞圆柱体的数值模拟46-54
• 4.2.1 有限元模型的建立46-47
• 4.2.2 应变分析与应力分析47-50
• 4.2.4 高径比对空洞缺陷闭合的影响50-51
• 4.2.5 摩擦系数对空洞缺陷闭合的影响51-52
• 4.2.6 空洞尺寸对空洞缺陷闭合的影响52
• 4.2.7 温度对空洞缺陷闭合的影响52-53
• 4.2.8 空洞位置对空洞闭合度的影响53
• 4.2.9 压下率对空洞闭合度的影响53-54
• 4.3 本章小结54-56
• 第5章 结论与展望56-58
• 5.1 结论56
• 5.2 展望56-58
• 参考文献58-64
• 致谢64-65
• 攻读硕士学位期间论文发表及科研情况65

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1 江荣华;;大型锻件几种常见缺陷的防止方法[J];锻压装备与制造技术;2010年02期

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本文编号：261822