基于有限元模拟的液-固挤压制件表面裂纹预测方法技术

本发明专利技术涉及一种基于有限元模拟的液-固挤压制件表面裂纹预测方法，将综合挤压极限图理论和连续介质损伤力学理论，提出基于热-力耦合温度场模拟的液-固挤压热裂纹预测方法和基于修正的Cockcroft-Latham损伤模型的表面龟裂纹预测方法，并将两种缺陷预测方法有机地结合起来。此外，Cockcroft-Latham损伤模型中的临界损伤值不再是一常数，而是关于变形温度和变形速率的函数，通过大量的高温拉伸试验测得。采用本发明专利技术方法得到的预测结果有望更加接近实际的变形和损伤演化情况，准确预测表面裂纹的类型、产生的位置和对应的工艺参数。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于塑性成形
，特别涉及一种。
技术介绍
液-固挤压也称为液态浸渗挤压，是一种制备金属基复合材料管、棒和型材类制件的塑性加工工艺。该工艺综合压力浸渗和液态挤压成形原理，使注入挤压筒中的液态合金在压力作用下渗入增强纤维预制体中，随后发生压力下结晶凝固，最后从挤压成形模口挤出，一次成形出复合材料制件。具有工序少、成本低、制件性能好等特点，应用前景广泛。在液-固挤压成形过程中，变形速度与凝固速度的协调是保证成形质量的关键，成形质量对于工艺参数的选取尤为敏感，如果控制不当，会导致制件产生诸多缺陷。大量试验研究表明，表面热裂和龟裂是最常见的两种缺陷形式。这些表面裂纹的产生将导致产品的报废，大大降低了生产效率。通过数值模拟技术预测表面裂纹的产生，研究表面裂纹的演化规律以及与工艺参数之间的内在联系，保证成形过程稳定进行并获得优质制件，一直是该领域研究者急于解决的热点问题。文献“Construction of extrusion limit diagram for AZ31 magnesium alloyby FE simulation, R. Ye. Lapovok, M. R. Barnett, C. H. J. Davies. Journal of MaterialsProcessing Technology, 2004,146 (3) :408_414” 公开了一种镁合金热挤压成形过程中表面裂纹的预测方法，该方法采用热-力耦合有限元模拟分析了挤压过程中的温度场分布，认为当成形模出口处制件表面温度超过材料的初熔温度时，将产生表面热裂纹。根据此原理，建立了关于成形温度和挤压速度的挤压极限图。文献“Analysis of the cracksformation on surface of extruded magnesium rod based on numerical modelingand experimental verification, Hu Hong-jun, Zhang Ding-fei, Pan Fu-sheng, YangMing-bo. Acta Metallurgica Sinica (English Letters), 2009, 22 (5) :353_364”公开了另一种镁合金热挤压成形过程中表面裂纹的预测方法，该方法采用C-L韧性断裂准则、基于有限元模拟方法预测镁合金热挤压过程中的损伤分布与演化规律，将临界损伤值看作一材料常数来判断表面龟裂纹的产生。以上研究仅限于镁、铝合金固态热挤压成形过程中的表面裂纹预测。而本专利技术中涉及的液-固挤压成形工艺的变形特点不同于一般的热挤压，成形过程中坯料处于液态、半固态和固态三相共存状态，并伴随着大变形连续转变，变形机制复杂。且金属基复合材料的成形性能较基体合金差，挤压参数的选取范围更为狭窄。目前还没有应用有限元方法预测金属基复合材料液-固挤压过程中表面裂纹的报道。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种，针对该成形工艺变形机制复杂、表面裂纹形式多样化的特点，提供了一种定量表征损伤演化、准确预测表面裂纹产生的有限元建模方法。技术方案一种，其特征在于采用DEF0RM-2D 商业有限元软件作为计算平台，将计算过程分为压力凝固和随后的挤压变形两个工况进行。具体步骤如下步骤I :建立液-固挤压成形模具和坯料的几何模型，采用四节点等参单元将建立的几何模型进行有限元网格划分； 步骤2 :在DEF0RM-2D 商业有限元软件的材料库中自定义模具材料的热物理性能和力学性能；定义坯料的热物理性能、高温及半固态流变应力、损伤模型及其临界损伤值；所述热物理性能包括热容、热导率和辐射系数，所述的力学性能包括密度和弹性模量；所述临界损伤值为关于变形温度和应变速率的函数，通过高温拉伸试验测得；步骤3 :设定模具和坯料的初始温度和边界条件；所述初始温度包括模具中冲头、挤压筒、成形模和圆柱销的预热温度、液态镁合金浇注温度和环境温度；所述边界条件包括对称边界条件、换热边界条件和摩擦边界条件；所述换热边界条件包括模具和坯料与周围环境的对流、辐射以及坯料与模具之间的热传导；步骤4 :定义加载方式，包括定义冲头为主动件，坯料为变形体；定义加载方式为匀速的冲头下行实现坯料的挤压变形；步骤5 :运行有限元模拟程序，计算过程中采用坯料穿透模具内壁的深度超过坯料最小单元边长的1/3长度作为网格自动重划的判据，当冲头行程达到需要的设定值时，计算终止；步骤6 :根据液-固挤压过程中温度场和损伤演化的有限元模拟结果，分析得到导致制件表面热裂纹和龟裂纹产生的挤压温度和挤压速度，具体步骤如下①当坯料被挤出成形模时，如果制件表面温度Tb高于坯料的固相线温度Ts时，制件表面将产生热裂纹，构建关于挤压温度和挤压速度的液-固挤压成形极限图，将产生热裂纹对应的挤压温度和挤压速度参数定义为“热裂区”，其余的则定义为“无热裂区”;②在液-固挤压成形极限图中的“无热裂区”参数条件下，如果挤压制件表面单元损伤值超过坯料的临界损伤值时，此时的参数为产生龟裂纹的参数，排除该种参数之外的工艺参数即为合理的工艺参数。所述的损伤模型采用修正的Cockcroft-Latham损伤模型来表征制件表面的损伤行为 C=P ^de < C不发生断裂 ^ Jo ^ C=Vf ^de > C发生断裂.jO (T式中，J为等效塑性应变，斤和O _分别为等效应力和最大主应力，C为损伤值，&为断裂应变，C'为临界损伤值；所述和C'为关于变形温度和应变速率的函数，&通过高温单轴拉伸试验测得，计算得到= Sf^T) = Sf(Z)，其中z =IRT)，Q为变形激活参数，R为普适气体常数，T为变形温度。有益效果本专利技术提出的一种，将综合挤压极限图理论和连续介质损伤力学理论，提出基于热-力耦合温度场模拟的液-固挤压热裂纹预测方法和基于修正的Cockcroft-Latham损伤模型的表面龟裂纹预测方法，并将两种缺陷预测方法有机地结合起来。此外，Cockcroft-Latham损伤模型中的临界损伤值不再是一常数，而是关于变形温度和变形速率的函数，通过大量的高温拉伸试验测得。因此，采用本专利技术方法得到的预测结果有望更加接近实际的变形和损伤演化情况。具体通过建立变形-传热-损伤三场耦合的有限元模型，数值模拟成形过程中坯料内部及表面温度场和损伤演化规律，准确预测表面裂纹的类型、产生的位置和对应的工艺参数。整个成形过程的模拟在Def0rm2DTM商用有限元软件上进行，有限元模拟流程如图I所示。附图说明图I1:本专利技术的流程图，Tb为制件表面温度，Ts为变形材料的固相线温度图2 :液-固挤压极限不意图具体实施例方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述本专利技术的技术方案包括以下步骤步骤I :采用DEF0RM-2D 商业有限元软件作为计算平台，分析类型选取热力耦合模拟。根据液-固挤压成形工艺，将计算过程分为压力凝固和随后的挤压变形两个工况进行，分别定义两个工况的载荷步数和步长。压力凝固过程为金属由液态冷却到预定挤压温度的液-固态，所需时间由模拟结果确定。初步设定载荷步数为120步，步长为5s。挤压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：齐乐华，刘健，关俊涛，周计明，马玉钦，卫新亮，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：