叶片冷辊轧本构模型研究与组织模拟

论文摘要

叶片辊轧是航空叶片制造的发展趋势之一,其工作过程平稳、所需设备吨位小、轧件力学性能好、生产效率高。由于叶片形状复杂、所使用的高温合金材料难变形,对其成形过程尚无深入的研究,缺乏规律性的认识。实际生产中,叶片辊轧工艺的制定和模具的设计主要凭借经验,叶片的抛光和修磨以及模具的修型主要依靠工人手工操作,生产效率低,且无法保证产品质量。因此研究叶片冷辊轧成形过程的金属流动规律和成形机理,对模具优化设计和工艺参数的选择具有指导意义。本文针对以上现状开展研究,目的是利用有限元软件DEFORM-3D建立叶片冷辊轧数值模拟的平台。为了保证数值模拟的可信度,需要获得准确的材料本构模型。本文针对叶片辊轧过程大塑性变形,几何、材料、边界条件非线性的特点,通过对本构理论的研究,找到了适合于叶片辊轧过程的Yoshida-Uemori本构模型。由于本文所研究的叶片材料为镍基变形高温合金GH4169,为了确定本构模型中的材料参数,设计了GH4169合金不同状态下的力学性能实验。通过实验所得数据,分析了GH4169合金的变形特点,确定了本构模型中的待定参数,并发现GH4169合金在不同状态下的力学性能具有明显差异。随后对DEFORM软件进行二次开发,将所得本构模型添加到软件的材料库中。通过对长方体压缩过程的数值模拟,将模拟结果与实际压缩实验结果进行对比,验证了本构模型的准确性,并采用二次开发的材料模型对叶片辊轧过程进行了模拟,得到了金属的流动规律。最后,对叶片在辊轧过程中的显微组织演化进行了模拟,得到了晶粒尺寸、位错密度和晶界的变化规律。航空叶片叶身形状复杂,截面不断变化。因此,叶片辊轧属于变截面轧制。本文对叶片辊轧过程的本构模型和显微组织的研究,为探索变截面轧制过程的金属变形规律、模具优化设计和工艺参数的选择提供了方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 选题背景
• 1.2.1 辊轧叶片的国外发展现状
• 1.2.2 辊轧叶片的国内发展现状
• 1.2.3 叶片辊轧工艺的技术特点
• 1.3 选题依据
• 1.4 研究内容
• 第2章 叶片冷辊轧本构模型的建立
• 2.1 材料本构模型对数值模拟的影响
• 2.2 统一塑性本构模型
• 2.3 Yoshida-Uemori模型描述
• 2.3.1 Yoshida-Uemod模型的主要内容
• 2.3.2 Yoshida-Uemori模型中的材料参数
• 2.4 本构模型参数识别
• 2.4.1 GH4169合金力学性能实验
• 2.4.2 Yoshida-Uemori模型参数识别
• 2.5 本章小结
• 第3章 DEFORM中材料模型的开发
• 3.1 DEFORM用户子程序
• 3.2 用户子程序的编写
• 3.2.1 需要开发的子程序
• 3.2.2 用户子程序的编写过程
• 3.3 用户子程序的实现过程
• 3.4 模型验证
• 3.5 叶片冷辊轧数值模拟
• 3.5.1 辊轧过程金属流动规律
• 3.5.2 叶片冷辊轧几何模型
• 3.5.3 叶片冷辊轧工艺参数
• 3.5.4 叶片冷辊轧仿真结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 叶片冷辊轧显微组织模拟
• 4.1 GH4169显微组织演化模型
• 4.2 叶片冷辊轧组织模拟
• 4.2.1 DEFORM中的动态再结晶模型
• 4.2.2 DEFORM显微组织演化后处理模块
• 4.3 叶片辊轧组织模拟结果分析
• 4.3.1 晶粒尺寸分析
• 4.3.2 位错密度分析
• 4.3.3 晶界分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢