铝合金热锻模具结构中的应力应变演变过程分析

论文摘要

热锻模在高速发展的汽车、机械等重要的支柱产业中占有举足轻重的地位,需求量与日俱增。我国每年消耗热锻模具钢数万吨,价值数亿元。热锻模在高温和高压下连续工作,受到周期性的机械载荷和热载荷作用,导致其温度场、应力应变场在时间和空间上分布复杂。正是这种复杂分布导致热锻模的寿命普遍不高。然而近年来的研究中,对锻造成形过程关注较多,而对模具本身的负荷情况关注不够。因此,有必要加大对热锻模具负荷情况的研究。为了能够更好的反应在成形过程中热锻模的负荷情况,本文提出了一种基于锻造成形过程的数值模拟结果,对热锻模进行结构分析的新方法。该方法实现的主要步骤为:首先利用成形分析软件Deform 3D对锻造成形过程进行模拟。模拟过程中仅将工件作为变形体,而模具则作为刚性体处理。模拟结束后将成形模拟过程中各增量步的成形力从工件映射到模具上;利用自主开发的Deform和Marc间数据传递程序模块,将模具接触节点力载荷和温度载荷从Deform中提取出来并写入Marc的输入文件中;最后在Marc中将模具作为弹性变形体,对其进行结构分析,得到热锻模具在锻压全过程的温度及应力应变场分布规律。本文主要对铝合金热锻模在预锻过程中的应力应变演变情况进行了分析,并对不同成形速率进行了比较,得出成形速率越快,模具的应力值越高。本文所运用的方法能够准确给出锻压全过程模具的温度及力边界条件,并可以跟踪模具上各个节点在整个成形过程中的应力应变变化趋势,对热锻模锻压全程进行了综合考虑。由于Marc功能强大,适于作为研究平台,有利于后期研发的延续,为开展模具磨损和疲劳等方面的分析提供了可能。同时,这种基于成形过程的模拟结果对模具进行结构分析的方法,不仅节约模拟时间,而且具有很好的模拟收敛性,适用于对各种模具进行结构分析,可以有效支持模具开发,指导工业实践。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题提出的意义
• 1.4 课题主要研究内容
• 第二章 热锻模的负荷特点及失效机理
• 2.1 热锻模的负荷特点
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 机械负荷
• 2.1.3 热负荷
• 2.2 热锻模的失效形式和机理
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 磨损失效
• 2.2.3 塑性变形失效
• 2.2.4 热机械疲劳失效
• 2.3 研究锻模失效的关键
• 2.4 本章小结
• 第三章 有限元理论基础
• 3.1 刚（粘）塑性有限元理论
• 3.1.1 概述
• 3.1.2 刚（粘）塑性材料的基本假设
• 3.1.3 刚（粘）塑性材料的边值问题
• 3.1.4 刚（粘）塑性有限元的变分原理
• 3.2 弹性有限元理论
• 3.2.1 弹性体的基本假设
• 3.2.2 三大类方程和边界条件
• 3.2.3 线弹性力学的变分原理
• 3.3 有限元中的热传导问题
• 3.3.1 积分方程和边界条件
• 3.3.2 瞬态热传导有限元的一般格式
• 3.4 Deform 简介
• 3.4.1 概述
• 3.4.2 主要功能和应用
• 3.5 Marc 简介
• 3.5.1 概述
• 3.5.2 结构分析
• 3.5.3 热传导分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 关键技术及实例分析
• 4.1 关键技术及基本假设
• 4.1.1 概述
• 4.1.2 基本假设及依据
• 4.1.3 关键技术
• 4.2 实例问题描述
• 4.3 网格划分的关键技术
• 4.3.1 模具网格划分
• 4.3.2 工件网格划分
• 4.4 Deform 中的参数设置及结果分析
• 4.4.1 模拟参数设置
• 4.4.2 工件成形分析结果
• 4.4.3 模具的载荷情况
• 4.5 接口程序
• 4.6 Marc 中的参数设置及结果分析
• 4.6.1 Marc 中模拟参数的设置
• 4.6.2 Marc 模拟结果分析
• 4.6.3 基本假设的验证
• 第五章 不同成形速率下的模具负荷分析
• 5.1 参数设置
• 5.2 模拟结果比较
• 5.2.1 模具温度分布情况
• 5.2.2 载荷行程曲线比较
• 5.2.3 模具的应力应变演变状况分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文