介观尺度钛合金TC4材料切削响应行为建模与仿真研究

发布时间：2017-04-26 10:07

  本文关键词：介观尺度钛合金TC4材料切削响应行为建模与仿真研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着微小型零件在航空航天、微电子、环境、通信、汽车、生物等诸多领域的广泛应用,使得对介观尺度加工工艺要求愈来愈高,介观尺度加工过程中的现象与机理也随之受到国内外学者的关注。对于介观尺度的研究,重点关注了介观尺度材料测试和介观尺度切削。介观尺度研究并不仅仅是宏观尺度上尺寸的减小,还存在着尺度效应,即材料特征参数特定范围内随着样件尺寸的改变而变化,其原因在于介观尺度上材料微观参数对宏观特性影响显著。在介观尺度切削中,主要表现为材料微观参数对切削特性的作用规律与工艺问题,因此需要有针对性地从微观力学和材料结构方面对其进行仿真分析和试验研究,主要研究内容和创新工作如下:(1)采用标准件和非标准件相结合进行材料测试试验,包括准静态拉伸试验,动态霍普金森压杆试验,霍普金森压杆剪切试验等。采用相应的热处理工艺改变样件晶粒尺寸大小,并进行拉伸试验,最终确定本构关系中各个参数的值。针对钛合金TC4,建立了适用于介观尺度的材料本构模型。(2)基于弹塑性力学理论和位错动力学,对经典的Johnson-Cook(JC)本构模型进行修正,引入位错塞积模型并在本构中考虑了晶粒尺寸等微观参数,建立能够体现尺度效应的介观尺度材料响应行为本构模型。(3)对ABAQUS有限元软件的本构模型进行二次开发,根据上述建立的本构关系,基于材料力学中弹塑性理论,完成VUMAT子程序的开发,并将子程序应用到ABAUQS中进行正确性的验证。(4)为了验证建立的介观尺度本构模型的正确性和合理性,采用硬质合金刀具对钛合金TC4进行正交切削试验,同时进行切削仿真分析,并将仿真结果与试验结果进行对比,完成仿真模型的验证工作。基于材料介观尺度测试试验,建立并修正了适用于介观尺度的材料本构模型,通过介观尺度材料测试试验和微切削试验的仿真分析,发现修正的JC模型与试验结果吻合较好。
【关键词】：钛合金TC4 介观尺度 本构模型 测试试验 切削试验 有限元仿真
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG501
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 课题研究背景与意义10-12
• 1.2 钛合金TC4的性能及切削特性12-15
• 1.2.1 钛合金TC4的性能特点12-14
• 1.2.2 钛合金TC4的切削特性14-15
• 1.3 介观尺度材料测试及本构模型研究现状15-17
• 1.3.1 介观尺度材料测试15-16
• 1.3.2 介观尺度材料本构模型16-17
• 1.4 材料切削机理及有限元仿真研究现状17-19
• 1.4.1 介观尺度切削机理17-18
• 1.4.2 介观尺度切削有限元仿真18-19
• 1.5 论文主要研究内容与框架19-22
• 第2章 材料测试及经典本构模型建模22-32
• 2.1 材料测试试验22-27
• 2.1.1 材料准静态拉伸试验22-24
• 2.1.2 材料霍普金森压杆压缩试验24-27
• 2.2 材料本构模型参数的确定27-28
• 2.3 材料本构模型有限元仿真28-31
• 2.4 本章小结31-32
• 第3章 介观尺度材料本构建模及有限元仿真32-46
• 3.1 介观尺度本构模型32-37
• 3.1.1 位错塞积模型32-33
• 3.1.2 晶粒尺寸对材料性能的影响33-36
• 3.1.3 介观尺度本构模型36-37
• 3.2 介观尺度材料子程序开发37-42
• 3.3 介观尺度本构模型有限元仿真42-44
• 3.4 本章小结44-46
• 第4章 介观尺度压杆剪切试验及有限元仿真46-58
• 4.1 介观尺度霍普金森压杆剪切试验46-52
• 4.1.1 高应变率下压杆剪切试验46-48
• 4.1.2 尺寸效应对材料力学性能的影响48-52
• 4.2 介观尺度材料本构模型压杆剪切仿真52-57
• 4.2.1 高应变率剪切仿真模型52-55
• 4.2.2 仿真过程及结果55-57
• 4.3 本章小结57-58
• 第5章 材料切削有限元仿真及试验验证58-72
• 5.1 切削力理论58-61
• 5.2 直角切削试验有限元仿真61-65
• 5.2.1 直角切削仿真几何模型61
• 5.2.2 刀具-工件界面摩擦模型61-62
• 5.2.3 切削分离准则62-63
• 5.2.4 切削仿真过程及结果63-65
• 5.3 直角切削试验验证65-70
• 5.3.1 单因素直角切削试验65-68
• 5.3.2 多因素直角切削试验68-70
• 5.4 本章小结70-72
• 第6章 总结与展望72-74
• 6.1 研究内容总结72
• 6.2 创新点72-73
• 6.3 研究展望73-74
• 参考文献74-78
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单78-80
• 致谢80

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：328219