（机械设计及理论专业论文）复合材料液态浸渗挤压过程的有限元模拟.pdf

两北t 业犬学钡卜学位论文 摘受 复合材料液态浸渗挤压过程的有限元模拟+ 摘要 液态浸渗挤压是近年来发展起来的一种融液态模锻和固态挤压为一体的新 成形工艺，其工艺实质是使液态基体金属在压力下渗入纤维预制体中，发生压力 下结晶凝固，并在液一固态或刚凝固态经受大的挤压塑性变形，一次成形出金属 基复合材料的型材类制件。 本文采用有限元法模拟了液态浸渗挤压复合材料浸渗过程温度场，采用有限 差分法模拟了液态金属渗流场，将两者间接耦合分析计算，得到了浸渗区域的温 度变化曲线、浸渗前沿及浸渗速度随时间变化等曲线。对模拟结果分析研究表明， 纤维半径、浸渗压力、液态金属粘度系数和纤维预制体的体积分数等影响液态金 属的浸渗速度及浸渗过程。利用刚一粘塑性直接耦合有限元法，通过有限元软件 对成形过程温度场、应力应变场进行模拟，为合理确定工艺参数提供了科学依据。 在温度场的模拟中，模拟结果表明，保压时间是影响制件成形质量的关键因素之 一，挤压速度、液态金属浇注温度、预制体预热温度和模具预热温度等工艺参数 对温度场的影响也很大，需进行参数之间的协调，只有当变形区内部始终维持准 固态时，才能实现稳定的液一固挤压成形过程；在变形场的模拟中，根据液态浸 渗挤压的成形特征，选用了双曲正弦刚一粘塑性有限元计算模型，研究了变形过 程中应力应变场的变化规律，研究了模角对变形和金属流动的影响及变形力的变 化过程和其影响因素。模拟结果与试验结果基本吻合，说明本文采用的计算模型 是合理的，为迸一步优化工艺参数提供了数值模拟手段。并且利用有限元软件的 优越性和强大的非线性求解功能，对液态浸渗挤压过程进行了很好的模拟，利用 软件完善的后处理功能，得到了完美的等值线和带状云图。 本文成功地运用有限元分析软件解决了集高压浸渗、热传导、凝固和大变形 为一体的液态浸渗挤压工艺过程的数值模拟问题，为该工艺的参数优化和实际应 用提供了理论依据。 关键词：液态浸渗挤压压力浸渗刚一粘塑性有限元直接耦合法 周客自然科学基金1 5 叭7 5 0 9 1 ) 、跌西省自然科学基金( 2 0 0 i c l7 j 和国防基金( 5 1 4 1 2 0 5 0 i o l h k 0 3 3 6 ) 资助项日。 1 堕! ! 三些盔兰堡兰兰堡堡苎 茎苎塑璧 t h ef e ms i m u l a t i o no ft h e l i q u i d i n f i l t r a t i o n e x t r u s i o np r o c e s sf o r c o m p o s i t e s + a b s t r a c t t h el i q u i di n f i l t r a t i o n e x t r u s i o nt e c h n o l o g y , a san e wf o r m i n gm e t h o dw h i c hi n c l u d e st h e l i q u i df o r g i n ga n dt h es o l i de x t r u s i o n ，h a sb e e nd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s t h ep r o c e s si ne s s e n c e i st h a ta f t e rl i q u i dm e t a li si n f i l t r a t e di n t ot h ef i b e rp e r f o r mu n d e rp r e s s u r e ，h i g h p r e s s u r e i s d i r e c t l ya p p l i e dt oi ts ot h a tt h em e l t e dm e t a li st ob ec r y s t a l l i z e da n ds o l i d i f i e du n d e rp r e s s u r e a n dt h e nu n d e r g o e sl a r g ep l a s t i cd e f o r m a t i o na tt h el i q u i d - s o l i ds t a t eo rt h es t a t ej u s ts o l i d i f i e d b y m e a n so ft h i st e c h n o l o g y , s h a p ep r o d u c t so fm e t a l m a t r i xc o m p o s i t e sc a l lb ef o r m e di nt h es i n g l e p r o c e s s i nt h i s p a p e r , t h et e m p e r a t u r ef i e l d sd u r i n gl i q u i d i n f i l t r a t i o ne x t r u s i o no fc o m p o s i t e sa r e s i m u l a t e dw i t ht h ef e m ，t h es e e p a g ef i e l d so f l i q u i dm e t a la r es i m u l a t e dw i t ht h ef d mb o t ht h e t e m p e r a t u r ef i e l d sa n dt h es e e p a g ef i e l d sa r ec o u p l e d ，t h et e m p e r a t u r e v a r i a t i o nc u r v e s ，i n f i l t r a t i o n f r o n tp r o c e s sc u l 7 v e sa n dv e l o c i t yv a r i a t i o ne i e v e sw i t ht i m ea r eo b t a i n e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a t t h ef i b e rr a d i u s i n f i l t r a t i o np r e s s u r e 1 i q u i dm e t a lv i s c o s i t yc o e 仿c i e n ta n dt h ev o l u m ef r a c t i o no f p e r f o r ma f f e c tt h ei n f i l t r a t i o nv e l o c i t yo f l i q u i dm e t a la n d t h ei n f i l t r a t i o np r o c e s s t h et e m p e r a t u r e f i e l d s ，s t r e s s s t r a i nf i e l d sf o rt h ef o r m i n gp r o c e s sa r es i m u l a t e dw i t ht h er i g i d v i s c o p l a s t i cd i r e c t c o u p l e df e m d u r i n gt h et e m p e r a t u r ef i e l d s ，t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r s s u c ha st h ee x t r u s i o nv e l o c i t y , c a s t i n gt e m p e r a t u r e ，p e r f o r mp r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e ，d i ep r e h e a t i n g t e m p e r a t u r ea n ds oo na r ei m p o r t a n tf o rt h et e m p e r a t u r ef i e l d sb e s i d e st h ed w e l lt i m e t h e ya r e m u s tb ei nc o n c o r d a n c ee a c ha t h e rt ot h ed e f o r m i n gz o n ei si at h eq u a s i - s o l i ds t a t e ，a n dt | i es t a b l e s e m i - s o l i de x t r u s i o ni s i m p l e m e n t e d d u r i n g t h e d e f o r m i n g f i e l d s ，t h e h y p e r b o l i c s i n e t h e r m o r i g i d - v i s c o p l a s t i cf e m m o d e li ss e l e c t e da c c o r d i n gt ot h ef o r m i n gf e a t u r eo ft h ep r o c e s s ， a n dt h ev a r i a t i o n so ft h es t r e s s - s t r a i nf i e l d sa r es t u d i e d b o t ht h ei n f t u e n c e so ft h ed i ed e g r e ef o r t h ed e f o r m i n ga n dt h em e t a lf l o wa n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h ed e f o r m i n gf o r c ea r es t u d i e di n t h i sp a r “t h es i m u l a t i o nr e s u l t sc o n f o h nw i t ht h et e s tr e s u l t s ，w h i c hc e r t i f i c a t et h em o d e l t h e l i q u i di n f i l t r a t i o n e x t r u s i o np r o c e s si ss i m u l a t e dl i v e l yb y t h es u p e r i o r i t ya n dp o w e r f u ln o n l i n e a r s o l u t i o nf u n c t i o no f t h ef e ms o f t w a r e ，t h ep e r f e c tc o n t o u r sa n dc u r v e sa r eo b t a i n e d ， i nt h i sp a p e r , t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o np r o b l e mo f t h el i q u i di n f i l t r a t i o ne x t r u s i o nt e c h n o l o g y t h a ti n c l u d e sh i 2 血p r e s s u r ei n f i l t r a t i o n , h e a tc o n d u c t i o n , s o l i d i f i c a t i o na n dl a r g ed e f o r m a t i o ni s s o l v e d s u c c e s s f u l l y , w h i c hp r o v i d e s t h e o r e t i cb a s i sf i o rt 1 1 ep a r a m e t e r so p t i m i z a t i o na n dt h e a p p l i c a t i o no f t h ep r o c e s s k e y w o r d s ：l i q u i di n f i l t r a t i o n - e x t r u s i o n ；p r e s s u r ei n f i l t r a t i o n ；r i g i d v i s c o p l a s t i cf e m d i r e c tc o u p l e df e m t h er e s e a r c h i ss u p p o r t e db y t h e n a t i o n a lf o u n d a t i o no f n a t u r a ls c i a n c e ( 5 0 1 7 5 0 9 1 ) ，t h es h a a n x ip r o v i n c e f a u n d a t i o no f n a r u r a ls c i e a c e ( 2 0 0 l c l 7 ) a n dt h ef o u n d a t i o no f n m i o n a ld e f e n s e ( 5 1 4 1 2 0 5 0 1 0 1 h k 0 3 3 6 ) 1 1 堕苎三些叁兰竺! 堂垡堡兰 堡二童竺堡 1 1 引言 第一章绪论 本论文旨在借助有限元分析软件，利用刚一粘塑性直接耦合有限元法对铝管 材的压力浸渗过程、挤压过程进行数值模拟( 图1 - 1 ) ，得到浸渗过程的温度场以 及整个成形过程的金属流动、温度场、应力应变场分布和变形力，以便深入分析 其内在规律，为液态浸渗挤压工艺投入生产应用奠定基础，加速金属基复合材料 成形技术向更高水平发展。 压力浸渗过程 液一固挤压过程 渗流场有限；一 f 芹分分析h 温度场有限ln 元分析卜l 图1 - 1 液态浸渗挤压工艺模拟过程示意图 1 , 2 相关领域的研究现状 j 结；，参， l 一；果t 、j 数5 、分f 优e 】i 析i ! 化l 1 2 1 液态浸渗挤压工艺的特点及其研究现状 液态浸渗挤压是一种制备金属基复合材料管、棒、型材类制件的塑性加工 新工艺，具有工艺过程简单、原材料利用率高、成本低、周期短等优点，应用前 景广泛。 作为一种融液态模锻和固态挤压为一体的新成形工艺，液态浸渗挤压继承了 二者之特点，其制件具有压力下结晶凝固的特征，又带有大塑性变形的特征，不 但能威形出液态模锻无法成形的管、棒、型材类制品，减少现行成形工艺的工序， 而且对材料还具有双重强韧性作用。但因在整个成形过程中，其内部应始终保持 有处于液态或准固态的金属，故其受力变形过程与常规塑性加工过程有很大区 别。 液态浸渗挤压成形工艺原理如图1 2 所示，挤压管材的试验装置如图l - 3 所 示。它是利用渗铸和液态金属挤压成形原理，使注入挤压筒中的液态基体金属在 冲头压力作用下渗入增强纤维预制体中，发生压力下结晶凝固，并随之从挤压成 形模口挤出，次复合、成形复合材料或其制件的工艺。与国内外现行方法相比， 陔工艺的主要特点是：1 ) 在保证液态基体金属在压力下渗入纤维预制体中，发生 一一， 一型 西北丁业大学硕士学位论文第一章绪论 压力下结晶凝固的前提下，金属基体还将在随后的挤压过程中产生较大的塑性变 形，从而起到消除材料中显微孔洞等缺陷、提高材料的致密性和强化基体组织的 效果：2 ) 挤压是在基体金属处于液一固态或刚刚凝固状态的条件下进行的，挤压 变形力和增强纤维在挤压过程中的受损程度均降低至最低水平，与通常的固态挤 压相比要小得多。因此，采用液态浸渗挤压这新工艺，可获得其界面结合良好， 基体为典型变形组织，无任何显微缩孔或不浸润等缺陷的短纤维增强金属基复合 材料的各种管、棒、板等型材类制品，并可最大限度地提高这类复合材料的性能。 ( a )( b )( c ) ( a ) 浇注( b ) 浸渗( c ) 挤压 1 顶杆2 成形模3 纤维预制体4 液态金属 5 液态浸渗挤压制件6 加热装置7 挤压筒8 ，冲头 图1 - 2 液态浸渗挤压工艺制各金属基复合材料过程简图 1 压力传感器2 压力机活动横粱3 上模板4 冲头座5 横粱6 冲头 7 芯子8 挤压筒9 ，基体金属与纤维预制体l o 成形模i i 下垫板1 2 位移传感器 图1 - 3 液态浸渗挤压管材试验装置 液态浸渗挤压工艺是基于对液态挤压工艺的理论和实践进行大量研究的基 础上提出的一种半固态的复合材料成形方法。通过研究者的不断努力，已经取得 西北工业大学硕上学位论文 第一章绪论 了初步的成果： 在组织性能和液态挤压材料的性能指标上，文献 2 8 齐乐华、李贺军等通 过试验，研究分析了液态挤压纤维增强金属基复合材料的组织性能特征及相互之 间的关系，说明采用液态挤压使材料成形时，首先发生凝固过程中的强化，尔后 产生大变形强化的双重韧性，可制各出高性能短纤维增强金属基复合材料管、漆 制件，材料的强度、塑性、韧性指标均得到显著提高。 在流动应力与塑性变形方面，文献 9 研究了a 1 2 0 3 s 4 l y l 2 复合材料在高温 下的流动应力与塑性变形行为。结果表明，随着变形温度的提高，由于基体的变 形抗力以及基体对阻碍其变形纤维的剪切作用力大大降低，纤维不易产生断裂并 易于以偏转的形式调整自己的方位适应集体的塑性流动，从而显著降低了复合材 料的流动应力和大大提高了其塑性和变形能力。 在工艺参数的预测方面，文献 1 0 1 8 针对半固态挤压复合材料成形时工艺 参数的选取，试验工作量大的问题，采用人工神经网络技术与试验相结合的方法， 建立了工艺参数的a n n 预测模型，对复合材料半固态挤压成形的关键工艺参数 进行预测，预测值与试验值吻合较好。 为了能提供合理确定工艺参数的科学依据，文献 1 9 和 2 0 分别采用了有限 差分法、稳定的交替方向隐式有限差分法、上限元法等数值计算方法，成功地模 拟了金属液态挤压的工艺过程，并采用计算机生成的动画直观地表现了工件的整 个成形过程。文献 2 1 2 4 采用自编软件模拟了液态浸渗挤压成形过程温度场、 应力和应变场，得到了液态浸渗挤压过程的温度、应力和应变场及变形力分布规 律，并对成形过程模拟中的关键问题进行了探讨”1 。 1 2 2 压力浸渗及其研究现状 液态金属向增强纤维预制体中的浸渗是一个相当复杂的物理过程。探讨浸渗 过程中各物理量的相互关系，从而实现对过程的有效控制，是液态浸渗法制备复 合材料的关键，也是采用液态浸渗挤压工艺制备复合材料时首先解决的问题。 国内外对此方面的研究报道和文献很多。s l o n g 等基于对a i i o s i m g 合金 在s a f f i l 纤维预制体中流动过程的可视化处理，建立了金属流动和过程参数之 问的关系，揭示了复合材料中的应力分布”6 ”。文献 2 8 对短纤维增强金属基复 合材料进行了数值模拟，得到了纤维方向分布、长度和直径对复合材料性能的影 响。文献 2 9 的研究表明挤压铸造颗粒增强金属基复合材料( m m c s ) 过程中， 挤压压力、熔体的预热温度、预制件的体积分数、颗粒的半径等都将对压力浸渗 效果乃至最终复合材料的力学性能产生深刻的影响，并分析了挤压铸造m m c s 过程中液态金属浸渗和传热行为。文献e 3 0 利用g i b b s t h o m s o n 方程，解决了液 西北t 业人学颇l 学位论文 第一章绪论 态浸渗对任意流动方向上局部浸渗压力的求解问题，并通过对纤维预制体空隙的 特性及金属液相浸渗充填过程的研究，获得了影响纤维增强金属基复合材料浸渗 充填质量的主要因素。文献 3 1 描述了铝合金熔体在压力驱动下浸渗不同几何形 貌强化相过程中的微观流动行为，提出了在挤压条件下，熔体在强化相预成形块 间隙中单向浸渗的流体动力学模型，并阐述了浸渗过程的动力学特征。文献 3 2 等采用有限差分法计算了纯金属在纤维预制体内单向压力浸渗过程中浸渗速度 与浸渗区内的温度，讨论了压力浸渗参数对温度分布的影响。 1 2 3 刚一粘塑性有限元法及其应用研究 有限元法是随着计算机的出现而发展起来的一种有效的数值计算方法。 1 9 6 7 年，m a r c a l 和k i n g 首先提出了弹一塑性有限元法。1 9 7 1 年l t m g 在m a r k o v 变分原理基础上，把体积不可压缩条件用l a g r a n g e 乘子法引入泛函中，建立了 刚一塑性有限元公式。1 9 7 3 年l e e 和s k o b a y a s h i 。”1 ，提出刚一塑性分析的矩形 法，而后z i e n k i e w i c z ”1 等人又用罚函数法把体积不可压缩条件列入m a r k o v 变分原理，得到了相应的刚一塑性有限元法。 塑性加工中有许多热成形或温成形工艺，即工件的塑性变形是在高温或较高 温度条件下进行的。此时，温度对材料的塑性变形过程影响很大。首先变形前工 件内部的温度分布就可能不均匀；变形过程中，由于工件与外界环境的热交换或 热损失( 如对流、辐射热交换和与模具的接触传导损失) 以及工件不均匀变形产 生的不均匀内热源，使得有时工件内部的温度梯度很大，分布更不均匀。这种不 均匀的温度场，往往又造成材料内部不同质点的屈服应力相差很大最终对整个 变形过程产生较大影响。同时高温下的塑性变形还影响到金属材料的相变、动态 再结晶等过程，产生微观组织结构的变化。因此热加工时需用粘塑性本构关系， 相应地发展t nj j - 粘塑性有限元法。英国的z i e n k i e w i e z 等把热加工时的金属流动 视为非牛顿型不可压缩粘性流体，导出了刚一粘塑性有限元列式；美国的 k o b a y a s h i 和o h 在刚一粘塑性材料变分原理的基础上，也导出了类似的刚一粘塑 性有限元列式。 刚一粘塑性有限元法可看成是刚一塑性有限元法的特例，在金属塑性成形中被 广泛应用。y h s o n g 等用有限元a r v i p 一3 d 法模拟了3 - d 塑性热成形和吹塑成 形工艺的成形过程，此有限元法结合了计算变形的刚一粘塑性有限元方程，粘性 方程和温度场方程；在模拟温度场时，, i g l g t 动态热生成边界条件，将结晶潜热 和变形热作为方程中的动态内热源n 0 1 。文献 4 1 2 提出了描述金属成形过程的 热一刚一粘塑性理论方程，该理论方程结合了二级摄动技术和二阶矩阵分析，考虑 了仞始条件和边界条件等不稳定因素，通过汽缸孔的分析对模型进行t f i e 。储 4 西北工业人学钡l 学位论文 第一章绪论 灿东采用刚一粘塑性有限元模型，分析了连续挤压摩擦力学模型和热力耦合模型， 得出了连续挤压过程的温度场“。文献 4 4 以耦合的方式来处理体积成形过程中 塑性变形和温度场之间的相互影响和相互作用，开发了一套能进行热力耦合分折 的刚塑性、刚一粘塑性有限元模拟软件h f o r g e 2 d ，并利用该软件对镦粗过程 和模锻过程进行了数值模拟，揭示了成形过程中塑性变形和温度场之间的内在联 系。文献 4 5 在解决三维有限元模拟关键技术问题的基础上，自行开发了面向叶 片精锻过程的三维刚一粘塑性有限元模拟分析系统3 d p f s 。该研究对提高叶片锻 造工艺的研究水平及发展叶片精锻理论具有重要意义。彭颖红等基于刚一粘塑性 有限元法理论和传热学理论，建立了一套塑性变形过程与传热过程的耦合数值分 析法及其技术处理方法，并且对c o n f o r m 连续挤压变形过程进行了热力耦合 数值模拟，从而揭示了c o n f o r m 热变形过程中金属的变形行为“1 。周飞等采 用三维刚一粘塑性有限元方法，对一典型的铝型材非等温成形过程进行了数值模 拟，分析了铝型材挤压的三个不同成形阶段，给出了各成形阶段的应力应变场和 温度场分布情况，以及整个成形过程中模具载荷随时间变化的情况。同时，还对 三维塑性变形的有限元数值模拟中关键技术的处理方法进行了探讨一”，模拟结果 为铝型材挤压的模具设计和设备选取提供了重要的科学依据。文献 4 8 采用刚一 粘塑性有限元法对热冲盂成形过程进行了数值模拟，讨论了刚一粘塑性有限元理 论，并对热冲盂成形工艺的模拟结果进行了分析。 刚一粘塑性有限元法的核心是秸塑性本构关系，为了对不同的材料进行更准 确深入地研究，得到能正确描述其变形特征的本构关系。近几年来，国内外研究 者在此领域进行了大量的探讨，特别是在金属基复合材料的研究方面，硕果累累。 文献 4 9 提出了一种率相关的弹一塑性本构关系，并将这一模型应用到纤维 增强金属基复合材料的微观力学行为的分析中，对材料在线性、非线性区和应力 一应变曲线的卸载部分进行了三维有限元预测，结果与试验相吻合。e c a r ，f z a l a m e a 等提出了两种分析纤维增强金属基复合材料的方法，一种是通用的各向 异性大应变率弹一塑性本构模型，一种是均匀化理论。1 。文献 5 1 通过压痕试验 研究了2 5 0 0 c 一3 5 0 0 c 间纤维增强金属基复合材料的压痕蠕变行为，表明基体金属 的蠕变蓝线包括两个阶段( 瞬态阶段和稳态阶段) ，而复合材料的蠕变曲线还包 括一个减速阶段。变形过程中的蠕变行为与微结构有关，蠕变稳定阶段，材料的 属性由应力指数和激活能决定。c m c a d y ，g t c r a ym 测试了纤维增强铝基 复合材料的压缩力学属性，报导了应变率和纤维方向对6 0 6 1 a l 一5 0 连续增强金 属基复合材料变形和断裂的影响5 。 以上是对纤维增强金属基复合材料的研究，在颗粒增强金属基复合材料的研 究上，文献e 5 3 研究了温度、应变和应变速率对p r m m c s 颗粒增强金属基复台 西北【业大学顿_ i = 学位论殳 第章绪论 材料力学性能的影响，得到了该材料的本构方程。s t e f a n o 等研究了颗粒增强会 属复合材料a 1 2 0 2 4 + 1 5 s i c 的蠕变行为，表明复合材料率相关变形机制是位 错攀移机制，其应力指数大约为4 4 ，激活能与纯铝中晶格的自扩散能相当i ；4 o s v sn a r a y a n a m u r t y 等推导了6 0 6 1 a 1 1 0 a 1 2 0 3 颗粒增强金属基复合材料的塑 性变形加工云图的一个简单不稳定条件，考虑了应变敏感性和应变硬化系数对材 料热成形下的塑性不稳定性的影响，并且研究了s i c 体积分数和颗粒尺寸对 6 0 6 1 a 1 复合材料热成形的影响”1 。s s p i g a r e l l i ，e c e r r i ，p c a v a l i e r e 等对颗粒 增强金属基复合材料6 0 6 1 2 0 a 1 2 0 3 进行了压缩和扭转试验，探讨了它在不同温 度、不同应变率下的变形力学行为，得到了压缩和扭转的本构方程，结果表明此 类金属基复合材料的热成形过程是与温度和应变率密切相关的”。 在半固念成形方面，许多研究者用有限元法研究了半固态合金成形过程，讨 论了成形中的应力一应变关系，其中用刚一粘塑性模型描述固相，液相遵循达西定 律，通过对半固态合金的反挤压、镦粗等工艺的模拟研究，对应力一应变理论关 系进行了验证”“1 。j h y o o n 等还分析了过程变量一模具预热温度、工件初始 温度、成形速度及固相率对工艺的影响”“。文献 6 6 中研究了l y l 2 合金半固态 的变形行为，结果表明，l y l 2 合金在半固态温区的拉压变形行为均显示出应变 率敏感性，其拉压力学行为符合简单的幂函数关系。 1 3 选题的目的及意义 大量的研究结果表明，液态浸渗挤压工艺作为一种全新的复合材料成形工 艺，不仅变形力小，工序少，适应面广，且制件的性能好，具有广泛的应用前景。 尤其是可以一次成形出航空、航天、国防乃至民用行业大量需要的复合材料管、 棒、型材，己日益显示出其优越性。但液态浸渗挤压过程是一个集浸渗、凝固、 热传导、大塑性变形为一体的复杂非线性过程，对其整个过程的研究存在一定的 困难。 采用液态浸渗挤压工艺能否顺利地一次复合、成形组织性能良好的金属基复 合材料制品，其关键在于能否做到如下几点：1 ) 保证液态基体金属在挤压前完全 顺利地渗入纤维预制体中：2 ) 液态浸渗过程完成后，液态金属优先从靠近挤压成 形模的出口端开始凝固，并保证在凝固过程中液态金属始终受到一定的等静压； 3 ) 保证在挤压过程中，变形区内的金属始终处于固一液态或刚刚凝固完状态，利 用挤压条件下基体金属发生的大塑性变形来进一步消除基体中可能存在的显微 孔洞和不浸润缺陷，强化基体组织，同时又不使增强纤维受到太大的损失；4 ) 采用适当的工艺措施，保证稳定挤压过程的实现；5 ) 采取适当的工艺措施，使纤 维或颗粒增强物均匀化。 两北工业大学硕_ = 学位论史 第章绪论 到目前为止，在温度场、应力应变场的有限元模拟及其过程参数的神经网络 预测等方面已进行了大量的研究，但是因为该工艺的参数要求比较高，同时由于 各种干扰的存在，工艺参数选取稍有不当，就会导致成形过程的中断，或是得不 到合格制件，所以仍不能对过程参数的选取起到充分的作用。要想将该工艺真正 投入生产，获得优质制件，达到节能、节材的目的，取得更大的社会经济效益， 就必须合理解决上述问题。 本论文旨在借助有限元分析软件，利用刚一粘塑性直接耦合有限元法对铝管 材的液态浸渗挤压过程进行数值模拟，得到整个变形过程的金属流动及凝固情 况、应力应变场和变形力，以便深入分析其内在规律，为液态浸渗挤压工艺投入 生产应用奠定基础，加速金属基复合材料成形技术向更高水平发展。 1 4 主要研究内容 1 ) 研究液态浸渗挤压工艺的浸渗过程。建立浸渗过程的有限元理论模型：将 渗流场和温度场进行间接耦合分析，计算液态金属的浸渗速度和浸渗区域中的温 度场：研究纤维直径、浸渗压力、液态金属粘度系数和纤维体积分数对浸渗速度 的影响：研究浸渗压力、纤维体积分数等对浸渗区域温度场的影响，从而对挤压 工艺的参数进行优化选取。 2 ) 研究液态浸渗挤压工艺的挤压过程。挤压过程中温度场采用含内热源的瞬 念轴对称温度场有限元法，变形场采用刚一粘塑性有限元法，借助有限元软件 m s c m a r c a u t o f o r g e 对两者进行直接耦合计算，模拟液态浸渍挤压工艺过程的 温度场、应力应变场和金属流动情况，分析挤压过程中变形力的变化和及其影响 因素。 3 ) 对不同工艺参数下的模拟结果进行分析，深入研究该工艺的内在规律。分 析比较有限元数值模拟与试验结果，以期验证数值模拟结果的合理性。通过对大 量不同参数下的模拟分析，找出使工艺达到最佳的工艺参数，从而能对工艺过程 进行更好地指导。 7 两北工业大学硕卜学位论文 第二章复合材料液态漫渗挤压浸渗过程的分析 第二章复合材料液态浸渗挤压浸渗过程的分析 2 1 引言 液态浸渗挤压工艺的浸渗过程是：将纤维预制体置于金属模腔中，随模预热 至一定温度后，在预制体上方浇入液态金属，借助于冲头的下行对液态金属施加 压力，使其在压力作用下渗入纤维预制体中。液态浸渗所用的纤维预制体是多晶 氧化铝短纤维。 液态金属浸渗过程是液态浸渗挤压工艺中至关重要的一步，是影响制件性能 的关键，而金属液浸渗速度和浸渗区域内的温度分布是浸渗过程中的基本问题。 m o r t e n s e na 等用相似性解法对纯金属浸渗过程进行了理论及试验研究。6 “，张学 习等采用有限差分法模拟了纯金属在纤维预制体内单向压力浸渗过程中浸渗区 的温度分布“，但都没有将渗流场和温度场进行耦合分析。 本章采用有限元法模拟液态浸渗挤压复合材料浸渗过程温度场，采用有限差 分法模拟液态金属渗流场，将两者进行耦合分析计算，得到了浸渗区域的温度变 化曲线、浸渗前沿及浸渗速度随时问的变化等曲线。对模拟结果分析研究表明， 纤维半径、浸渗压力、液态金属粘度系数和纤维体积分数等影响液态金属的浸渗 速度及浸渗过程；选用合适的工艺参数，可以获得理想的浸渗区温度分布，从而 为合理选择浸渗过程的工艺参数奠定了理论基础。 2 2 基本假设 1 ) 模壁绝热； 2 ) 金属液体沿对称轴作一维流动，且流动前沿平行前进： 3 ) 将预制体看成多孔介质，液态金属浸渗速度遵循达西( d a r c y ) 定律； 4 ) 不存在纤维预制体的受压变形和基体金属的凝固。 2 3 液态浸渗渗流场模拟 2 3 1 流体流动方程 由达西定律，在一维流动且沿z 轴方向( 见图 2 - 1 ) 浇注的条件下，金属在预制体内的浸渗速度与 浸渗压力梯度的关系为 8 图2 - 1 液态金属浸渗过程简图 担 捉 整 燃 西北t 业大学硕卜学位论文第二章复台材料液态浸渗挤压浸渗过程的分析 一善f t 鲁一成引 弘， 口 “z ， 式中，v 为浸渗速度；只为浸渗压力；p 。为会属铝液的密度；g 为重力加速度； “为粘性系数；k 为渗透系数。 2 3 2 纤维预制体渗透系数表达式 当液态金属平行于纤维轴流动时，纤维预制体的渗透系数为”“ k = 等 t 一目- 1 + o 4 ，s ( 后一- 陋z ， 当液态金属垂直于纤维轴流动时，纤维预制体的渗透系数为 k = 等 ，一厚 -， 式中 勺= 一等 口4 ， = ( 2 5 ) 式中，r 及v 分别代表半径及体积分数，其下标，代表纤维，s f 代表纤维及凝固 于其上面的金属。本论文纤维预制体的渗透系数取平行于纤维排列方向和垂直于 纤维排列方向的渗透系数的平均值”。 2 3 3 流速的计算 将式( 2 1 ) 写成差分格式，即 一只= 鲁y 越一p 。群，( 2 - 6 ) 式中，k ，表示第f 批单元的渗透系数；k 表示液态金属浸渗第i 批单元的速度。 假设液体不可压缩，在同一时刻1 i 批充液单元内的速度均等于，则从上 式分别写出k k ，并将其相加得( 表观流动速度) 9 硝北1 ：业大学硕： 二学位论文 第二章复台材料液态浸渗挤压浸渗过程的分析 = k 一名帆阻) 售争， ( 2 ，) 式中，p o 及只分别为浸渗压力及临界浸渗压力”，临界浸渗压力可采用下式计算 名= 并( 2 - 8 ) 名2 南丌 式中，2 - 为液态金属表面张力，研；0 为液念金属与纤维体的接触角，r a d ； d 为纤维直径，o n 。 2 3 4 计算流经第i 批单元的时间 将表观流动速度矿换算为真实速度为” 弘专 ( 2 _ 9 ) 求出前后两时亥0 真实速度的平均值 巧= 华 ( 2 - 1 0 ) 则流体通过第i 批单元所用的时间为 f j = 等 ( 2 - 1 1 ) 对各个& ，进行累加，便得到从浇注至该时刻用的总时间a 2 4 液态浸渗温度场模拟 2 4 1 复合材料物理性能的计算 ( 1 ) 导热系数的计算 按照复合材料的混合准则，复合材料的热传导系数为” k 。= k 。( 1 一) + k s v i ( 2 1 2 ) 式中，k 。和k ，分别为基体金属及纤维预制体的热传导系数，为纤维的体积 分数。 o 羔型生型生苎兰竺兰兰竺笙兰一 苎三量墨垒垫登些查星兰堑笙鎏堡塾堡堕坌塑 ( 2 ) 比热的计算 将复合材料视为纤维和金属的混合体，可得出复合材料的比热 c = 巴( 1 一哆) + c ，( 2 1 3 ) 式中，e 为纤维的重量分数，表达式为 町2 篇 ( 2 _ 1 4 )i p f v f + p 。 ”1 、。 ( 3 ) 密度的计算 p 。= 乃+ 风( 1 一)( 2 1 5 ) 2 4 2 浸渗过程的热传导方程 考虑金属液体内的对流传热，根据能量平衡可得出浸渗过程瞬态轴对称热传 导方程为“7 ” ；昙( 以詈) + 丢( 以警) 一成q 警= 以e 詈 c ：拍， 式中，为温度；4 圾五分别为沿，及z 方向的导热系数；q 、e 分别代表金 属液和复合材料的比热：复合材料的密度成、比热c 。和热传导系数丑。采用混合 法则计算”“，并要给出相关的边界条件和初始条件”“，边界条件有三种基本给 定方法： 在r l 上给定第一类边界条件t = t o( 2 1 7 ) 在r 2 上给定第二类边界条件4 峨参= g ( 2 - 1 8 ) 在l 上给定第三类边界条件五，_ c g t + 五警也= 勘p l ) ( 2 19 ) 凹呓 式中，i - 2 和r 3 分别代表三类不同的边界。 2 4 3 热传导方程的有限元列式 设单元内温度分稚为 t ( r ，z ) = 【弦 。 ( 2 2 0 ) 式中， 】为形函数：扩 。为单元的节点温度列向量。 西北工业大学颁上学位论文第二荜复合材料液态浸渗挤压浸渗过程的分析 将p 。c 。vo 1 一等价为一热交换项，采用伽辽金法建立有限元方程”，得 k 弦 + c 1 昙矿 = f ( 2 2 1 ) k 】= k ，】+ k ，】+ k ：】 ( 2 2 2 ) 伊 = 汜 + 溉 ( 2 - 2 3 ) 式中，区，】， c 】和眈 分别代表热传导矩阵、热容矩阵和表面热流向量；k 。】和 k 。：】分别代表与外界的热交换矩阵及金属液体内对流项的等价热交换矩阵； 吒 为热交换向量。 k 。，】= h f 【皿 ( 2 2 4 ) k ：】= 【】 n r d f ( 2 2 5 ) 冗 = 【】2 。瓦r 订+ 量【】7 ：r d r ( 2 - 2 6 ) 将南：等价成温度和位移的函数，即为 自z = ，仃，z ) 2p m c m 矿病( 2 - 2 7 ) 式中，h i 为与外界的换热系数；h ：为等价换热系数； e 为液态金属浸渗到预制 体的入口接触面；己为周围环境温度：毛为金属液的浇注温度：z 为位移，即 浸渗深度。 其他各矩阵及向量为 阱f j c 扛掣掣他掣掣卜 陋z s ， 纠= f c p c 【】。时h 地 ( 2 2 9 ) k = f c 【】7q rdrdz(2-30) 2 4 4 时问差分格式的选取 浸渗过程中，温度随时间和位移的改变而不同，要每隔一时间步长求解下一 时刻的温度场，所以要在时间上进行有限差分。 不同的差分格式，计算精度不同，本章采用无条件收敛的g a l e r k i n 差分格式， 旦型蔓里竖查兰竺圭兰! 燮一 笙三! 塞垒塑型堂查堡堡堡坚堡望垫堡堕! ! 塑 定义为 ；( 詈) 。十格) 。= 击亿_ j + 。b 2 )弘s - ， 将式( 2 3 1 ) 代入式( 2 2 1 ) 后产生的余量，整理后得 ( z 瞳】+ 言 c 】) 留 ，= ( 未【c 卜k 】 留 。+ 妒 。+ ：扩) ， ( z 现) 在a n s y s 中通过设置t h e t a 系数来实现。 2 5 数值模拟过程及模拟结果分析 2 5 1 数值模拟过程 在液态金属浸渗过程中，纤维预制体内金属液体的渗流场是依赖于温度场的 变化而变化的，因而，需将两者进行间接耦合分析。本章以前一时刻的温度场作 为求解此时刻渗流场的己知条件，然后再以此时刻渗流场为己知条件来求解下一 时刻的温度场，依次类推，相继进行求解，其具体过程为： 1 ) 根据材料物理属性( 见表2 - 1 ) 及有关模拟参数( 见表2 2 ) ，利用f o r t r a n 语言编程求解流经第一批单元的速度巧和所用的时间出； 2 ) 将计算的浸渗速度和时间作为求解此时刻的温度场的已知条件，以址，作 为求解温度场迭代公式之时间间隔，利用a n s y s 软件求解温度场： 3 ) 计算流经第二批单元的速度瓦和时间出，以f ，作为时间间隔，求解此 时刻的温度场： 4 ) 依次类推，直到浸渗过程结束。 求解温度场时，选用轴对称热单元p l a n e 5 5 ，将等价热交换系数定义为随 温度和位移变化的函数，将此函数作为载荷边界施加到有限元模型上进行求解。 l y l 2 a i e 0 3 t ( ) 6 2 0 p i ( k g m 。)23 8 5 1 0 23 7 】0 3 2 3 5 7 x2 0 3 4 0 x1 0 3 c i ( a k g - 、0 9 9 l o 10 4 1 0 31 0 9 1 0 3 1 0 5 1 0 3 工( 舻m )2 2 8 61 l o9 1 939 8 表2 - 2 数值模拟工艺参数 l 浸渗压力浇注温度预制体预热预制体体积 预制体纤维 预制体高度 f( m p a ) ( )温度( )分数半径( a m )( r a m ) l 3 0 9 07 3 06 5 0 0 2 o 42 45 2 西北工业灭学碗：t 学位论文 第_ _ 二誊复台材料液态浸渗挤压漫渗过程的分忻 2 5 2 模拟结果及分析 按前述建立的理论公式，利用a n s y s 软件和f o r t r a n 语言编程实现，得 到的模拟结果示于图2 - 2 图2 1 2 。 图2 2 所示为浸渗速度及浸渗前沿随时间的变化曲线。可以看出，液态金属 的初始流动速度较快，随着时间的进行而逐渐变慢，说明液态金属的渗流过程是 非定常的，这与实际情况相吻合。 图2 - 2 浸渗速度及浸渗前沿随时问的变化曲线 p n 司o m p a v f 0 3 r 尸2 o 儿m u = 0 1 4 9 2 图2 3 所示为浸渗压力对浸渗速度的影响曲线，图2 - 4 所示为纤维体积分数 对浸渗速度的影响曲线。由图2 3 可知，浸渗压力越大，浸渗速度越快，所