（材料学专业论文）数值模拟技术在金属材料固态加工中的应用.pdf

摘要 随着计算机科学、有限元及有限差分方法的发展，可以建立适当的理论模型，描 述材料固态加工及热处理的物理过程。然后，采用有限元及有限差分法对这些物理过程 的温度场、应力场、应变场、微观组织场等进行精确的定量数值模拟计算。只要通过少 量的实验验证理论模型及数值模拟计算的准确性，就可以利用计算机对大量的实际材料 固态加工及热处理过程进行准确的数值模拟。这样就实现了基于计算机数值模拟的虚拟 材料固态加工及热处理过程。通过大量的计算机数值模拟计算，可以建立材料固态加工 及热处理工艺参数与材料固态n t 及热处理后性能的定量关系。这些数值模拟计算结果 可以用于优化材料固态加工及热处理工艺参数。论文主要包括以下内容： 建立了船用钢板激光弯曲成形过程的热弹塑性力学模型。对船用钢板激光弯盥成形 过程的温度场、应力场及应变场进行了数值模拟。研究了板材厚度、板材宽度、激光功 率和激光扫描速度对激光弯曲成形最终弯曲角度的影响。进行了钢板激光弯曲成形实 验，实测了钢板的温度及弯曲角度。钢板的温度和弯曲角度的数值模拟结果与实验测量 结果符合较好。 建立了发动机油底壳冲压成形过程的弹塑性力学模型。对发动机油底壳在冲压成形 过程的应力、应变及厚度分布进行了数值模拟。实测了发动机油底壳冲压成形后的厚度 分布。厚度分布的数值模拟结果与实验测量结果符合较好。 建立了g h 4 1 6 9 高温合金大环形零件惯性摩擦焊过程的热弹塑性力学模型a 对 g h 4 1 6 9 高温合金大环形零件惯性摩擦焊过程的温度场、应力场及应变场进行了数值模 拟。对g h 4 1 6 9 高温合金大环形零件惯性摩擦焊过程的温度及轴向缩短量进行了计算机 实时测量。温度及轴向缩短量的数值模拟结果与实验测量结果符合较好。 建立了特殊钢棒线材热连轧过程的热弹塑性力学模型。对3 0 4 不锈钢棒线材1 8 道次 熟连轧过程的温度场、应力场及应变场进行了数值模拟。实测了3 0 4 不锈钢棒线材1 8 道次热连轧过程各道次的表面温度。表面温度的数值模拟结果与实验测量结果符合较 好。 建立了激光相变硬化过程的热弹塑性力学模型；对激光相变硬化过程的温度场、应 力场和激光相变硬化区的宽度及深度进行了数值模拟。实测了激光相变硬化区的宽度和 深度及残余应力分布。激光相变硬化区的宽度和深度及残余应力分布的数值模拟结果与 实验撅4 量结果符合较好。 建立了3 5 c r m o 钢圆柱体大型锻件淬火冷却过程的传热学、相变模型。对3 5 c r e d o 钢 圆柱体大型锻件淬火冷却过程的温度场、组织场进行了数值模拟。实测了3 5 c r l l l o 钢圆 柱体大型锻件淬火冷却过程的温度和淬火后的组织场。温度和淬火后组织场的数值模拟 结果与实验测量结果符合较好。 建立了真空热处理过程的传热学模型。对g h 4 1 6 9 高温合金零件真空热处理过程的 温度场进行了数值模拟。预测了g h 4 1 6 9 高温合金零件在真空炉中加热过程的滞后时间a 实测了g h 4 1 6 9 高温合金零件真空热处理过程温度随时间的变化。温度随时问变化的数 值模拟结果与实验测量结果符合较好。 关键词：数值模拟：金属材料；材料固态加工；热处理 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n tc o m p u t e rs c i e n c e ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n df i n i t ed i f f e r e n c e m e t h o d ，i ti sp o s s i b l et os e tu pam o d e lt od e s c 6 b et h ep h y s i c a lp r o c e s s e so fs o l i ds t a t e m a t e r i a lp r o c e s s i n ga n dh e a tt r e a u n e n t p r o c e s s e s t h e n ，t h et e m p e r a t u r ef i e l d ，s t r e s sf i e l da n d m i c r o s t r u e t u r ef i e l do ft h e s ep h y s i c a lp r o c e s s e sc a nb e e nc a l c u l a t e da c c u r a t e l yu s i n gf i n i t e e l e m e n tm e t h o da n df i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d i fs o m e e x p e r i m e n t a lw o r k sw e r ec a r r i e do u tt o d e m o n s t r a t et h ea c c u r a c yo f m o d e l l i n ga n ds i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h e nt h e s es o l i ds t a t em a t e r i a l p r o c e s s i n ga n d h e a tt r e a t m e n t p r o c e s s e sc a nb e e na c c u r a t e l ys i m u l a t e db yc o m p u t e r t h e nt h e v i r t u a ls o l i ds t a t em a t e r i a l p r o c e s s i n ga n d h e a tt r e a t m e n t p r o c e s s e s c a l lb e e nr e a l i z e db a s e do n c o m p u t e rs i m u l a t i o n 髓er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep r o p e r t i e so fm a t e r i a l sa n d 西et e c h n i c a l p a r a m e t e r so fs o l i ds t a t em a t e r i a lp r o c e s s i n ga n dh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s e sc a l lb e e ns e tu pb y al a r g ea m o u n to f c o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw o r k s t h e s en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s a r eu s e f u lt o o p t i m i z et h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so fs o l i ds t a t em a t e r i a lp r o c e s s i n ga n dh e a t t r e a t m e n t t h em a i nr e s u l t so f t h i sd o c t o r a ld i s s e r t a t i o na 弱f o u o w ： a t h e r m o - e l a s t i c - p l a s t i cm o d e lw a sd e v e l o p e dt os i m u l a t et h e1 a s e rf o r m i n gp r o c e s so f s h i p b u i l d i n gs t e e lp l a t e t h et e m p e r a t u r ef i e l d ，s t r e s sf i e l da n ds t r a i nf i e l do fs h i p b u i l d i n g s t e e lp l a t ed u r i n gl a s e rf o r m i n g p r o c e s sw e r ec a l c u l a t e d n l ee f f e c t so f s t e e lp l a t ew i d t h s t e e l p l a t et h i c k n e s s ，i a s e rp o w e r , l a s e rs c a n n i n gv e l o c i t yo n f i n a lb e n d i n g a n g l ew e r es t u d i e d t o e v a l u a t et h ea c c u r a c yo ft h es i m u l a t i o n 1 a s e rf o r m i n ge x p e r i m e n t sw e f ep e r f o r m e d t h e t e m p e r a t u r ea n db e n d i n ga n 搿eo fs t e e lp l a t ew m e a s u r e d 。n l es i m u l a t i o nr e s 山t s o f t e m p e r a t u r e a n d b e n d i n ga n g l e o fs t e e lp l a t ea r ei ng o o da g r e e m e n tw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s a n e l a s t i c p l a s t i cm o d e l w a ss e tu pt os i m u l a t eo i lp a nf o r m i n g p r o c e s s 髓es t r e s sf i e l d ， s t r a i n 矗e l da n dt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o no ft h eo i lp a n sd u r i n gf o r m i n gp r o c e s sw e r ec a l c u l a t e d t h e 出i c k n e s sd i s t r i b u t i o n so ft h eo i lp a n sa f t e rf o r m i n gp r o c e s sw e r em e a s u r e d t h e c a l c u l a t e dt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o n so f t h eo i lp a r t sa g r e ew e nw i t ht h o s eo f t h em e a s u r e m e m s a t h e r m o ，e l a s t i c - p l a s t i cm o d e lw a sd e v e l o p e dt o s i m u l a t et h ei n e 嘶af r i c t i o nw e l d i n g p r o c e s so f g h 4 16 9s u p e r a l l o yl a r g es i z er i n gf o r mw o r k p i e c e t h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l d ， s t r e s sf i e l d a n ds 妇i nf i e l do fo h 4 1 6 9s u p e r a l l o yl a r g es i z er i n gf o r mw o r k p i e c ed u r i n g i n e r t i af r i c t i o nw e l d i n g p r o c e s sw e r ec a l c u l a t e d t h et e m p e r a t u r ea n d t h ea x i a ls h o r t e n i n go f o h 4 1 6 9s u p e r a l l o yl a r g es i z er i n gf o r mw o r k p i e c ed u r i n gi n e m af r i c t i o nw e l d i n gp r o c e s s w e r em e a s u r e d t h ec a l c u l a t e dt e m p e r a t u r ea n da x i a ls h o r t e n i n ga r ei ng o o da g r e e m e n tw i t h t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a t h e r m o e l a s t i c - p l a s t i cm o d e lo f h e t c o n t i n u o u s r o l l i n gp r o c e s so f s p e c i a l s t e e lw i r ea n d r o dw a ss e tu p t h et e m p e r a t u r ef i e l d ，s t r e s sf i e l da n ds t r a i nf i e l do f3 0 4s t a i n l e s ss t e e lw i r e a n dr o d d u r i n g 18p a s s e sh o tc o n t i n u o u sr o l l i n gp r o c e s sw e r ec a l c u l a t e d t h es u r f a c e t e m p e r a t u r e so f3 0 4s t a i n l e s s s t e e lw i r ea n dr o dd u r i n g18p a s s e sh o tc o n t i n u o u sr o l l i n g p r o c e s sw a sm e a s u r e d t h ec a l c u l a t e d s u r f a c et e m p e r a t u r ea g r e ew e l lw i t ht h em e a s u r e d r e s u l t i i at h e r m o e l a s t i c p l a s t i cm o d e lo f1 a s e r t r a n s f o r l i l a t i o n h a r d e n i n gp r o c e s s h a sb e e n d e v e l o p e d n l et e m p e r a t u r ef i e l d s t r e s sf i e l dd u r i n gl a s e rt r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n gp r o c e s s a n dt h ew i d t ha n dd e p t ho fl a s e rt r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n gz o n ew e r ec a l c u l a t e d t h ew i d t h a n d d e p t h o fl a s e rt r a n s f o r m a t i o n h a r d e n i n g z o n ea n dr e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o nw e r e m e a s u r e de x p e r i m e n t a l l yt h cc a l c u l a t e dw i d t ha n dd e p t ho fl a s e rt r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n g z o h ea n dt h er e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o na r ei ng o o d a g r e e m e n t w i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a h e a t t r a n s f e r a n d m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o n m o d e l o f q u e n c h i n g p r o c e s so f 3 5 c r m os t e e l c y l i n d r i c a ll a r g ef o r g i n gw a sp r o p o s e d t h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l da n dm i c r o s t r u c t u r e f i e l do f3 5 c r m oc y l i n d r i c a l l a r g ef o r g i n g i n q u e n c h i n gp r o c e s s w e r ec a l c u l a t e d t h e t e m p e r a t u r eo f3 5 c r m oc y l i n d r i c a ll a r g ef o r g i n g i nq u e n c h i n g p r o c e s sa n d t h em i c r o s t r u c t u r e d i s t r i b u t i o no f3 5 c r m oc y l i n d r i c a ll a r g ef o r g i n ga f t e rq u e n c h i n gp r o c e s sw e r em e a s u r e d e x p e r i m e n t a l l y t h ec a l c u l a t e d t e m p e r a t u r e a n dm i c r o s t r u c t u r ed i s t r i b u t i o na r ei n g o o d a g r e e m e n tw i 血e x p e r i m e n t a l r e s u l t s ah e a tt r a n s f e rm o d e lo fv a c u u mh e a tt r e a t m e n tp r o c e s sw a ss e tu d t h et e m p e r a t u r ef i e l d o fg h 4 1 6 9s u p e r a l l o yw o r k p i e c ed u r i n gv a c h u n 2h e a tt r e a t m e n tp r o c e s sw a sc a l c u l a t e d t h e t h e r m a l h y s t e r e s i s t i m eo fg h 4 16 9s u p e r a l l o yw o r k p i e c ed u r i n gv a c u u mh e a tt r e a t m e n t p r o c e s sw a sp r e d i c t e d t h et e m p e r a t u r e so fg h 4 1 6 9a l l o yw o r k p i e c ed u r i n gv a c u l l n l h e a t t r e a t m e n t p r o c e s sw e r e m e a s u r e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t so f t e m p e r a t u r ep r o f i l e 、a g r e ew e l l w i t ht h es i m u l a t e dr e s u l t s k e y w o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；m e t a l l i cm a t e r i a l s ；s o l i ds t a t em a t e r i a lp r o c e s s i n g ； h e a tt r e a t m e n t i i i 大连理工大学博士学位论文 1 1 论文工作的目的及意义 第一章绪论 金属材料固态加工及热处理是面向实际应用的学科。进行这方面研究的主要目 的是研究金属材料固态加工及热处理工艺参数与材料的微观组织结构及性能的关 系，这对于正确地选择金属材料固态加工及热处理工艺参数，指导实际生产，具有 很重要的实际意义。 金属材料的固态加工及热处理所涉及到的工艺过程很多，如轧制、锻压、拉拔、 挤压、旋压、板材的成型、固态压焊、淬火、正火、退火、回火、表面热处理等。 在这一领域，传统的研究方法是实验方法，即采用实验方法对金属材料固态加工及 热处理工艺参数与材料的微观组织结构及性能的关系进行研究。即所谓的“炒菜法” 或“试错法”，这种方法虽然直接，而且简单易行，但却需要进行大量的实验，具有 一定的盲目性，耗费大量的人力、物力和时间。近年来，随着制造业的发展，特别 是汽车、航空等工业的飞速发展，要求新产品的质量较高、研发周期较短、研发费 用较低，这样才能在激烈竞争的市场上立于不败之地。在制造业中涉及到大量的金 属材料固态加工及热处理问题，如果采用传统的研究方法进行金属材料固态加工及 热处理工艺参数研究，需要进彳亍大量的实验，耗费大量的人力、物力和时间。目前， 这种传统的研究方法已不能满足现代制造业高速发展的要求，成为制约现代制造业 高速发展的瓶颈。 金属材料固态加工及热处理问题，归根到底是传热学、力学及相变等多学科交 叉的综合问题。要定量地研究这些问题，首先应对这些问题中所涉及到的传热学、 力学及相变等现象进行分析，应用传热学、力学及相变等基本原理，建立能够反映 该问题物理本质的定量理论模型( m o d e l l i n g ) 。理论模型建立后，这些材料固态加 工及热处理问题就转化为数学问题，即求解满足一定的初始条件和边界条件的数学 方程式，如热传导方程，弹塑性力学方程等，这些方程一般郝是非线性的偏微分方 程，很难得到解析解，一般应采用数值计算方法求解，这就是所谓的数值模拟技术 ( n u m e r i c a lsi m u l a t i o nt e c h n o l o g y ) a， 随着计算机及数值模拟技术的发展，用计算机数值模拟方法来研究金属材料固 态加工及热处理工艺参数与材料的微观组织结构及性能的关系已经成为可能。只要 建立合理的模型，运用合适的算法，通过数值模拟计算就能准确地计算出金属材料 固态加工及热处理过程的温度场、组织场、应力场及应变场等，并能预测出材料的 微观组织结构及性能。这样，通过对实际金属材料固态加工及热处理过程进行大量 的数值模拟计算，可以建立金属材料固态加工及热处理过程工艺参数与材料的微观 组织结构及性能的关系。只要通过少量验证性实验证明所建立的的模型及数值模拟 方法对特定问题的适用性，那么大量的工艺参数筛选工作就可以由计算机来进行， 这对于正确地选择金属材料固态加工及热处理工艺参数，指导实际生产，具有很重 要的实际意义。这种方法旨在克服“炒菜法”或“试错法”的盲目性，使金属材料 的固态加工及热处理在一定的“理论”指导下进行。与传统的实验方法相比，计算 机数值模拟方法可以节省大量的人力、物力和时间，更能适应现代制造业飞速发展 大连理工大学博士学位论文 的要求。 在计算机发展的初期，由于计算机计算速度和内存的限制，只能对一些简单的 一维金属材料固态加工及热处理问题进行数值模拟；2 0 世纪8 0 年代后，随着计算 机的发展，已经能对些复杂的二维金属材料固态加工及热处理问题及简单的三维 金属材料固态加工及热处理问题进行数值模拟：2 0 世纪9 0 年代后，已经可以对一 些复杂的三维金属材料固态加工及热处理问题进行数值模拟；进入2 1 世纪，已经可 以对些复杂的实际金属材料固态加工及热处理问题进行数值模拟，计算机数值模 拟技术已开始进入了实用化阶段。 近年来，金属材料固态加工及热处理过程的计算机数值模拟技术已接近实用化 水平。一些企业界的有识之士开始重视金属材料固态加工及热处理过程的计算机数 值模拟技术，并试图把计算机数值模拟技术应用到实际产品的研发中。本文研究的 的课题一部分是来自纵向的国家自然科学基金及辽宁省和大连市科学基金项目，另 一部分则是来自企业实际生产过程中的金属材料圃态加工及热处理问题。本文对这 些典型的金属材料固态加工及热处理过程进行了计算机数值模拟工作，目的在于通 过计算机数值模拟建立金属材料固态加工及热处理过程工艺参数与材料的微观组织 结构及性能的关系。进而实现金属材料固态加工及热处理的虚拟生产，替代大量的 实际工艺探索实验。用这种方法指导优化工艺参数，可以大大地节省研发费用和时 间，使工艺参数的制定建立在可靠的理论基础之上，克服“试错法”的缺点。这对 加快新产品的开发，降低新产品的成本，提高新产品的市场竞争力都有实际意义。 1 2 论文的主要工作 论文研究工作涉及到金属材料固态加工及热处理领域的几个具体的研究课题， 包括船用钢板激光弯曲成形过程的数值模拟、发动机油赢壳冲压成型过程的数值模 拟、g h 4 1 6 9 高温合金大环形件惯性摩擦焊过程的数值模拟、特殊钢棒线材热连轧 过程的数值模拟、激光相变硬化过程的数值模拟、大型锻件淬火过程的数值模拟、 真空热处理过程的数值模拟等几个典型的金属材料固态加工及热处理过程的数值模 拟。具体内容如下： 建立了船用中厚钢板激光弯曲成形过程的热弹塑性力学模型。对船用中厚钢板 激光弯曲成形过程的温度场、应力场及应变场进行了数值模拟。建立了船用中厚钢 板激光弯曲成形过程的温度及变形量的计算机实时测量系统，对船用中厚钢板激光 弯曲成形过程温度及变形量进行了计算机实时测量。 建立了发动机油底壳冲压成形过程的弹塑性力学模型。对柴油发动机油底壳的 冲压成形过程进行了数值模拟，得出了柴油发动机油底壳在冲压成形过程的应力、 应变及厚度分布。实测了柴油发动机油底壳冲压成形后的厚度分布a 应用数值模拟 技术对柴油发动机油底壳冲压模具和板坯形状进辱亍了优化，解决了企业生产实际中 存在的拉裂和起皱问题。 建立了g h 4 1 6 9 高温合金大环形件惯性摩擦焊过程的热弹塑性力学模型。对 g h 4 1 6 9 高温合金大环形件惯性摩擦焊过程的温度场、应力场及应变场进行了数值 模拟。对g h 4 1 6 9 高温合金大环形件惯性摩擦焊过程的温度和轴向缩短量进行了计 算机实时测量， 大连理工太学博士学位论文 建立了特殊钢棒线材热连轧过程的热弹塑性力学模型。对特殊钢棒线材热连轧 过程的温度场、应力场及应变场进行了数值模拟。对特殊钢棒线材热连轧过程轧件 各道次的表面温度进行了实际测量。 建立了激光相变硬化过程的传热学、相变及弹塑性力学模型。对各种钢材表面 激光相变硬化过程的温度场、组织场及应力场进行了数值模拟。对m o c u 球铁，c 2 2 钢，c 6 0 钢，4 2 c r m o 钢等钢种的平板状工件，圆柱体状工件进行了在各种激光相变 硬化工艺参数下系统的激光相变硬化实验。实测了在各种工艺条件下激光相变硬化 区的宽度和深度，用x 一射线法实测了激光相变硬化处理后工件内的残余应力分布。 建立了3 5 c r m o 钢圆柱体大型锻件淬火冷却过程的传热学、相变模型。对3 5 c r m o 钢圆柱体大型锻件淬火冷却过程的温度场、组织场进行了数值模拟。实测了3 5 c r m o 钢圆柱体大型锻件淬火冷却过程的温度和淬火后的组织场。 建立了真空热处理过程的传热学模型。对g h 4 1 6 9 高温合金复杂零件真空热处理 过程的温度场进行了数值模拟。预测了g h 4 1 6 9 高温合金复杂零件真空热处理过程 的加热滞后时间。实测了o h 4 1 6 9 高温合金复杂零件在真空炉中加热过程的温度随 时间的变化。 1 3 国内外研究进展 1 3 1 金属板材激光弯曲成形研究进展 金属板材的激光弯曲成形技术是种利用激光束扫描金属板材表面时形成的 非均匀温度场所导致的热应力来实现金属板材弯曲成形的方法。这种方法具有不需 外力、生产柔性大、加工成本低、成形精度高、并能进行硬脆材料成形等特点。这 项技术一旦成熟，可建立激光无模具自动快速成型系统。利用该系统可实现汽车外 壳、飞机外壳、船体外壳等的无模具快速原型制造，大大节省新产品的研究开发周 期和研究开发费用，在汽车业，飞机制造业，造船业等工业领域有广泛的应用前景。 早在1 9 8 5 年，y n a m b a 1 就提出了一种在不加外力的条件下仅利用热应力使金 属板材塑性变形的新加工方法激光成形法( 1 a s e rf o r m i n g ，l a s e rb e n d i n g ) 。2 0 世 纪9 0 年代以来，m g e i g e r 和f v o l l e r t s e n 等【孓5 】对板材激光成形作了较多的研究。到 目前为止，美国、英国、中国、德国、日本、波兰、希腊等多个国家已经对板材激 光弯曲成形进行了研究。 影响板材激光弯曲成形的因素很多，如何获得弯曲角度与激光扫描工艺参数组 合的关系是研究人员关心的问题。仅凭实验研究已经不能充分全面地得到理想的激 光弯曲成形工艺参数。板材激光弯曲成形过程的数值模拟技术是有效分析激光弯曲 成形的成形机理、制定合理的工艺方案的强有力工具。近年来，板材激光弯曲成形 过程的数值模拟研究已逐渐成为激光弯曲成形研究的热点。 f v 0 1 l e r t s e n 等 3 - 6 建立了有限元模型( f e m ) 和有限差分模型( f d m ) 模拟激光弯 曲成形过程。a n k k y r s a n i d i 等【7 】使用有限元软件a n s y s ，建立了三维非线性瞬态 热力耦合模型，计算随时间变化的温度场、应力场及应变场，预测了板材的最终弯 曲角度。z h u 等8 9 i 对激光直线扫描薄板进行了三维有限元分析，模拟了a i s l 3 0 4 不锈钢和铝在多道扫描时的温度场及弯曲角度的变化。 大连理工大学博：e 学位论文 西北工业大学的季忠、吴诗悖等人【1 0 5 】采用准静态非耦合模型，对激光束扫捕 板材表面时形成的三维瞬态温度场及变形场进行了有限元数值模拟，分析了激光束 能量、板材的几何形状对板材激光弯衄成形的影响，并获得了理想的工艺参数范刖。 李纬民等【i6 j 用弹塑性有限元法，模拟并分析了板材激光弯曲过程中的变形舰律，讨 论了板材的几何形状和激光工艺参数对板材最终弯曲变形的影响。山东大学的管延 锦等i i 引用有限元方法分析了激光弯曲成形过程的温度场、应变场的变化提出了三三 维激光成形中合理规划扫描路径和扫描顺序时的基本原则。北京航空航天大学的王 秀风等【l 对薄板激光弯曲机理进行了数值模拟和试验研究。以上这些研究都是针并j 薄板的，刑。于船舶用厚板的激光弯曲成形研究则未见报道，为此，论文作者存国家 自然科学基金的资助下开展船舶用厚板激光弯曲成形的数值模拟和相应的实验研 究。为这项技术在造船工业的实际应用奠定理论基础。 1 3 2 金属板材冲压成形数值模拟研究进展 扳材冲压成形技术是利用金属塑性变形的特点，通过一定方式对板材施加压力， 使其产生所需的塑性变形，从而获得满足所需的各种形状零件的一种材料压力加i 方法。板材成形技术具有材料利用率高、产品精度稳定、生产操作简单、易 。史现 自动化，大规模生产成本低、生产效率高等许多优点。在汽车、飞机、电器、仪器、 仪表等：【业领域得到了广泛的应用。 在板材成形中，材料的塑性变形规律，模具与工件间的摩擦对制件质量的膨i 【| 向 都是| - 分复杂的问题。过去传统的板材成形模具与制造工艺设计方法是凭经验的“试 错法”( t r ya n de r r o r ) 。对于复杂的板材成形工艺和模具，仅凭经验进行设计，质撤 难以保证，常会造成各种缺陷，如拉裂、起皱、回弹、表面滑痕和啃削等。山于板 材刈，压成形中易于产：生各科t 缺陷，因此，一些关键的设计参数要在模具制造出来咀 后，经过反复地调试、修改才能确定，这样就浪费了大量的人力、物力和时删。这 种传统的板材成形模具与制造工艺设计方法存在设计制造周 ；i j 长、信息共事程度低、 凭经验设计，具有盲目性、工艺设计效率低等一系列缺点，已不能适应现代j 丁：业产 品爿：发的要求。 扳材成形过程的数值模拟技术是建立在弹塑性力学理论及有限元理沦基础之上 的。数值模拟可以精确计算出板材成型过程中工件和模具中的应力及应变分布、板 材的厚度分布等，使人们对板材成型过程有更深入、全面的了解。通过数值模拟可 预测工件的几何形状是否满足要求，是否会产生表面缺陷，是否会发生破裂等，预 测模具的受力与磨损等。在工程实际中能帮助解决传统方法难以解决的模具设计和 冲压t 艺设计难题，如拉裂预测、回弹计算和起皱预测等。 板材成形过程的数值模拟技术是一利，计算机虚拟成型技术，它不需要建造真实 的桢具模型，因而节省了大量的人力、物力和时间并使得在设计阶段即可剥不同 的设训方案及时进行评价，筛选出合理的或最优的方案。借助扳材成形过程的数值 模拟技术，人们可以大大缩短新产品棋具和工艺设计以及模具的制造周划，降低幔 具制造成本，提高模具和冲压件的产品品质，增强产品的竞争力。因此，板材成肜 过程的数值模拟方法更能适应现代：亡业产品开发的要求a 叮期的冲压成形过程的数值模拟计算基本上以二维模型 2 0 l 为基础进行，但其应 4 大连理工大学博：t 学位论文 用范围受到很大限制。w a n g 和b u d i a n s k y 2 卜2 2 1 采用流动坐标中的有限变形理论推导 出针列一股板材成形问题的薄膜壳有限元模型。并模拟了多种材料的半球形冲头胀 形成形过程，汁算结果与实验吻合得较好，这标志着这一领域的开始。1 9 8 9 年后， 板材成形数值模拟技术得到迅速发展【2 3 矗引三维板料成形过程数值仿真国际会议 ( n u m i f o r m & n u m i s h e e t ) 是板材成形领域的最高级别会议。1 9 8 9 年以前门： 的两次会议只有少数几篇文献论述板材成形模拟问题，到了1 9 8 9 年猛增到2 0 多篇。 在每个会议都会设计一个标准考题。n u m i s h e e t 9 3 提出了个u 形件深冲压的标 准算例，主要考察板料的回弹。方盒深拉深问题，强调模拟很多的材料被拉入相对 小的问隙和接近垂直的凹模。n u m i s h e e t 9 6 设计了s 形大梁成形，主要考察起皱 和蚓j ! f 【。n u m i s h e e t 9 9 设定了三组考题，奥迪汽车前门板成形、带和不带液体反 压的凸模胀形及反拉深成形，旨在考察模拟软件对各种复杂零件成形工艺的模拟能 力。从历届板材成形数值仿真国际会议所设计的标准考题来看，目前的研究已从对 简单形状的板材成形分析逐渐发展到对复杂形状的板材成形过程进行模拟，特别是 对数值模拟软件处理多工序、模拟起皱和回弹的能力提出了较高的要求，内容涉成 新材料模型研究、成形模拟、缺陷和失稳分析、本构方程建立、程序前后胃处理、 f e m 程序开发及与c a d 系统的联接等“”1 。 1 3 3 惯性摩擦焊数值模拟研究进展 惯性摩擦焊是一种金属固相热压焊方法，即把两种焊件的结合面作相对高速运 动，借助于摩擦热使接触部分达到塑性状态，再经加压而连接成一体的一种工艺方 法。与传统的焊接方法相比，惯性摩擦焊具有能产生锻制质量的焊接接头，无阚化 缺1 铂及焊缝内在的非连续性缺陷，焊接涉及到的参数少( 转速与口i 力) ，自动化程艘 高，无污染等优点。 航空发动机压气机转子及涡轮机转子等关键部件是用高温合金及钛合金制造的 大环形件。每级转予之间是靠焊接方法来连接的。目前国际上公认的焊接航空发动 机转f 的最好的方法就是惯性摩擦焊。可以说惯性摩擦焊是2 1 世纪航空发动机转动 部件的主要焊接工艺。在国外，美国、德国、英国和日本等国已用啵性摩擦焊方法 来焊接p 珥级航空发动机的镍基合金压气机转子、超耐热镍合金涡轮机叶轮、r c n e 9 5 六绂一体式转子、r e n e l 2 0 涡轮机叶轮等。如美国的g e 公司早在1 9 6 7 年就与空军 签订了“喷气发动机转予制造方法改进研究”的合同，开展这方面研究，并于1 9 7 3 年旷式用于t f 3 9 型发动机整体转子的制造，以后又推广到f 1 0 l 、c f m 5 6 、c p 6 、6 e 4 、 t 5 8 、( ；e 9 0 等型号的发动机t 。航空发动机转动部件是航空发动机的核心部件，它 的焊接质量的好坏直接影响航空发动机的质量。因此开展高温合金航空发动机转予 这样的大环形件的惯性摩擦焊接技术研究对我国航空工业的发展具有重要的战略意 义。 惯性黪擦焊接的主要工艺参数有三个：飞轮转动惯量i 、转动角速度。和轴向 压力p 。对于一定的航空发动机转动部件的焊接，需要探索工艺参数( 转速与n 三力) 。 传统的做法是用一系列的试件进行惯性摩擦焊试验，然后找到最佳的工艺参数。这 需璎诌：多试件，而i 象航空发动机压气机转子这样的大环形件是非常昂贵的不适、j 一 用大量的实际部件进行惯性摩擦焊试验来寻找最佳的工艺参数。如能建立合适的数 奎望里三奎兰苎主堂垡笙苎 学物理模型，对惯性摩擦焊过程的温度场、应力场及变形量进行有限元数值模拟计 算，便可预测在一定的工艺参数下惯性摩擦焊后的焊接质量和性能，进而建立惯性 摩擦焊工艺参数与焊接质量和性能的定量关系，为优化惯性摩擦焊的工艺参数奠定 理论基础。 国外关于摩擦焊接过程数值模拟的研究，始于二十世纪6 0 年代，c j c h e n g 等 【4 “”】对同质材料a i s l 4 1 4 0 合金及异质金属( a i s l 4 1 4 0 合金+ 3 0 4 不锈钢) 管状工件 的连续驱动摩擦焊接过程的温度分布情况进行了有限差分计算。k k w a n g 等 4 2 - 4 3 对a i s i l 0 2 0 合金钢棒的惯性摩擦焊接过程的温度分布情况进行了有限差分计算。二 十世纪8 0 年代后，随着计算机技术及有限元理论发展，摩擦焊过程的数值模拟研究 工作有了快速的发展。a f r a n c i s 等1 4 4 对连续驱动摩擦焊摩擦阶段的各个过程进行了 分析，采用了粘性流动模型来描述钢管连续驱动摩擦焊接过程的材料流动情况。 a n d r z e j s l u z a l e c 45 j 首先采用热弹塑性有限元法计算了摩擦加热阶段的温度场及其 随摩擦压力变化的规律。g ，j b e n d z s a k 等 4 6 1 对摩擦焊接头的金属流动问题进行了模 拟。a m o a l 。e m a s s o n i 等 4 7 - 4 $ 】建立了同质及异质管材惯性摩擦焊接过程的二维弹塑 性热力耦合有限元计算模型，对同质及异质管材的惯性摩擦焊接过程的温度场、应 力场、变形进行了数值模拟计算。 国内关于摩擦焊过程数值模拟的研究工作起步较晚，主要从九十年代开始，西北 工业大学的段立宇，傅莉，杜随更等【4 9 ”】对摩擦焊接过程进行了一系列的数值模拟 研究工作，早期对3 5 钢管的连续摩擦焊接过程的瞬态温度场进行了数值模拟，近年 来采用有限元热力耦合模型对高温合金以及3 4 c r m 0 4 钢摩擦焊过程的瞬态温度场、 应力场和应变场进行了数值模拟。李付国等【”j 采用有限元数值模拟的方法，建立了 g h 4 l6 9 合金惯性摩擦焊接过程微观组织的演化模型，对惯性摩擦焊接热影响区的再 结晶组织进行了模拟计算。 以上国内外关于摩擦焊过程的数值模拟研究工作都是针对小直径零件的，对于 象航空发动机压气机转子这样的大环形件的惯性摩擦焊过程的数值模拟研究工作， 则国内外均未见报道。 1 3 4 棒线材轧制过程数值模拟研究进展 特殊钢棒线材新产品轧制工艺参数的制定过去一般采用“试错法”进行探索， 即通过实际轧制试验探索出合理的轧制工艺参数。这样就需要进行大量的实际轧制 试验占用生产线，需要很多钢坯，不但研发费用昂贵，而且这种方法也具有很大 的盲目性，工艺研发周期长。这对新产品的开发和提高市场竞争力来说无疑是一个 瓶颈。受辽宁特钢集团委托，开展了对该企业高速棒线材连轧生产线控轧控冷过程 的数值模拟研究工作。研究目的是通过计算机数值模拟技术，建立棒线材控轧控冷 过程的工艺参数与控轧控冷过程的温度场、应力场、应变场、微观组织场及性能的 定量关系，实现计算机虚拟轧制过程，进而为棒线材控轧控冷过程的工艺参数优化 提供理论依据。 轧制过程数值模拟始于2 0 世纪6 0 年代。1 9 7 3 年s h i r ok a b a y a s h i 和l e e c h 等提出了刚塑性有限元法，由于这种方法计算较快，收敛性好，因此广泛的用于各 种轧制过程的模拟研究中。1 9 6 7 年由m a r c m 和k i n g 提出了弹塑性有限元法，并被 大连理工大学博士学位论文