H13钢表面磨损行为的数值模拟研究及模具寿命预测

发布时间：2017-10-02 01:18

  本文关键词：H13钢表面磨损行为的数值模拟研究及模具寿命预测

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【摘要】：随着汽车行业的快速发展，人们对汽车轻量化、安全性的要求越来越高，高强钢板以其重量轻、强度大且热成形性能好的特点，在工业生产特别是汽车行业得到了越来越广泛的应用。由于高强钢板热成形模具结构复杂，材料费用高，精度要求高，因此高强钢热成形模具的制造使用成本在产品总费用中占有较大比重。通过延长模具寿命来降低模具成本成为研究的重点，准确的预测模具寿命是前提。研究发现，70%的模具失效是由模具磨损造成的，因此，减少模具磨损是提高模具寿命的关键，而模具寿命的长短可以用模具磨损量的多少进行判断。 本文以H13热作模具钢为研究对象，针对其表面的磨损行为进行深入的数值分析与实验研究，探索提高模具表面耐磨性的有效方法，进而预测模具的寿命，，对完善提高模具耐磨损性能研究，降低模具使用成本具有较高的理论价值与实用意义。 首先，通过销-盘滑动磨损试验分别获得50、100、130和150N载荷下，H13钢光滑表面与GCr15之间的摩擦系数以及相同载荷下H13钢光滑表面和非光滑表面（点状、条纹状、网格状）下的摩擦系数。根据磨损失重计算出H13钢的表面磨损深度，根据Archard公式计算出其磨损率。通过扫描电子显微镜观察不同载荷、不同表面形态下H13钢表面磨损形貌，得出影响磨损的相关参数和数值模拟需要的参数。 (1)经过激光处理的点状、条纹状和网格状非光滑单元体硬度大于基体材料的硬度，比基体材料具有更好的耐磨性。相同载荷下，通过激光仿生加工成点状、条纹状和网格状的H13钢非光滑表面比其光滑表面的磨损量、磨损率和摩擦系数小，且H13钢非光滑表面中，点状非光滑表面的磨损量、磨损率和摩擦系数最大，网格状非光滑表面的最小，条纹状非光滑表面居中。 (2)非光滑表面形态能够减少材料的磨损量，增加其耐磨性；非光滑表面上单元体的形态不同，其耐磨性也不同。 (3)分析研究H13钢表面磨损的SEM照片可知：沿着H13钢表面磨损方向，非光滑单元体后面的磨痕比非光滑单元体前面的磨痕少，犁沟密度也小。 然后，建立销-盘滑动磨损有限元三维模型对H13钢表面磨损进行数值模拟，利用ABAQUS中的自适应网格技术结合UMESHMOTION磨损子程序得出H13钢表面磨损深度，将其与试验结果进行对比，误差为5.01%，在误差许可的范围内，验证了数值模拟仿真的有效性和实用性。对销-盘滑动磨损过程中H13钢销试样进行了二维和三维温度场模拟，其温度及变化规律与大量研究结果一致。 最后，以冲压弯曲模型为例，以DP590高强钢为板料，H13模具钢为模具材料进行模具磨损的数值模拟分析，将ABAQUS、UMESHMOTION磨损子程序和C++语言相结合，自动提取磨损过程中接触从面上所选取节点的接触应力，通过插值法得到接触主面上所选取节点的接触应力，利用Archard公式得到特定次数变形后H13钢表面单次磨损量，计算得出其累积磨损量，将累积磨损量和变形次数进行线性拟合，结合模具允许的磨损量得到模具服役寿命。 通过对H13钢表面磨损行为的研究，掌握了其磨损规律，提出了采用非光滑表面提高耐磨性能的方法；运用数值模拟手段分析了销-盘磨损过程中H13钢表面的应力、温度等变化情况，提出了有效预测模具服役寿命的方法，为热成形模具磨损性能研究和提高模具寿命奠定了基础。
【关键词】：模具 磨损 数值模拟 温度场 模具寿命
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG142.45
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第1章 绪论13-21
• 1.1 引言13-15
• 1.2 选题意义15-16
• 1.3 模具磨损数值模拟的发展16-18
• 1.4 本文研究内容18-21
• 第2章 模具磨损、模拟基本理论21-31
• 2.1 摩擦界面接触理论21-22
• 2.2 模具磨损基本理论22-25
• 2.3 磨损率计算25-27
• 2.4 有限元分析基本理论27-30
• 2.4.1 金属材料弹塑性变形行为27-29
• 2.4.2 Mises 屈服准则29
• 2.4.3 ABAQUS 静力隐式算法29-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第3章 销-盘滑动磨损试验31-45
• 3.1 引言31
• 3.2 试验材料及其热处理31-32
• 3.3 试样参数及其制备方法32-34
• 3.3.1 不同激光电流下非光滑单元体形态32-33
• 3.3.2 不同脉宽下非光滑单元体形态33-34
• 3.3.3 光滑单元体试样的制备34
• 3.3.4 非光滑单元体试样的制备34
• 3.4 磨损试验方案34-35
• 3.5 试验设备35-36
• 3.6 试验结果36-43
• 3.6.1 滑动摩擦系数和磨损率36-40
• 3.6.2 磨损表面形貌分析40-43
• 3.7 本章小结43-45
• 第4章 销-盘滑动磨损有限元数值模拟45-61
• 4.1 引言45
• 4.2 微观尺度下销-盘接触分析45
• 4.3 销-盘接触三维有限元模型45-47
• 4.3.1 相关参数设定46-47
• 4.3.2 边界条件及载荷设置47
• 4.4 接触应力分析47-53
• 4.4.1 接触压应力分布47-49
• 4.4.2 接触摩擦力分布49-53
• 4.5 H13 钢光滑表面磨损量的数值模拟53-57
• 4.5.1 ABAQUS+ALE 自适应网格技术53-54
• 4.5.2 数值模拟磨损量结果分析54-56
• 4.5.3 模拟结果与试验结果对比分析56-57
• 4.6 H13 钢非光滑表面磨损量的数值模拟结果57-58
• 4.7 本章小结58-61
• 第5章 销-盘滑动接触温度场分析61-77
• 5.1 引言61
• 5.2 温度场基本理论61-64
• 5.2.1 导热的基本定律61-62
• 5.2.2 导热微分方程62-64
• 5.2.3 导热微分方程的边界条件64
• 5.3 二维模型销-盘滑动磨损过程的温度场模拟64-69
• 5.3.1 销-盘滑动磨损建模64-65
• 5.3.2 二维模型销-盘滑动磨损过程温度场分布65-69
• 5.4 三维模型销-盘滑动磨损过程温度场模拟69-75
• 5.4.1 三维模型销-盘滑动磨损过程温度场分布69-73
• 5.4.2 与二维模型温度场对比分析73-75
• 5.5 本章小结75-77
• 第6章 模具寿命预测77-91
• 6.1 引言77
• 6.2 模具寿命的评估方法77-78
• 6.2.1 经验评估法77
• 6.2.2 基于塑性变形的评估法77
• 6.2.3 局部应力应变分析法77-78
• 6.2.4 基于模具磨损的寿命预测78
• 6.3 模具磨损模型的建立78-80
• 6.4 模具磨损有限元分析80-83
• 6.4.1 模具磨损有限元模型的建立80-82
• 6.4.2 接触属性的定义82
• 6.4.3 分析步的定义82-83
• 6.4.4 单元选择与网格划分83
• 6.5 模具磨损过程分析83
• 6.6 磨损子程序计算分析83-85
• 6.7 模具磨损的模拟结果及寿命预测85-90
• 6.8 本章小结90-91
• 第7章 结论与展望91-93
• 参考文献93-99
• 致谢99

【参考文献】

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