《外文翻譯--基于三維有限元方法的AZ31鎂合金等通道彎角擠壓的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 中文版》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《外文翻譯--基于三維有限元方法的AZ31鎂合金等通道彎角擠壓的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 中文版（19頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

本科畢業(yè)論文 外文文獻(xiàn)及譯文 文獻(xiàn)、資料題目： of on 獻(xiàn)、資料來(lái)源： 獻(xiàn)、資料發(fā)表（出版）日期： （部）： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè)： 材料成型及控制工程 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 翻譯日期： 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 外文文獻(xiàn)及譯文 - 1 - 中文譯文： 基于三維有限元方法的 合金等通道彎角擠壓的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要 由于等通道彎角擠壓（ 以使鎂合金產(chǎn)生超細(xì)晶粒微觀結(jié)構(gòu)，所以被廣泛研究。關(guān)鍵是理解變形狀態(tài)，應(yīng)變分布和載荷要求對(duì)模具設(shè)計(jì)的影響。在論文中，下模中設(shè)計(jì)了帶有不同圓心角和帶或不帶內(nèi)部倒角的新三維幾何模型，其中圓心角取值范圍為90 度到 120 度。在使用 件時(shí)，將一些重要的工藝參數(shù)定義為初始條件和邊界條件，比如模具和坯料的溫度，摩擦系數(shù)等。為了確保模擬的收斂性，要考慮幾何條件、位移條件和 合理的收斂錯(cuò)誤限制 等。 從模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果中分析了 變形不均勻性。比起沒(méi)有倒角的模具，在外拐角處存在倒角的模具使變形的均勻性得到了改進(jìn)。累積的最大應(yīng)變使 中外拐角的倒角減小、內(nèi)圓心角增長(zhǎng)。所需的擠壓力使 中外圓心角處產(chǎn)生的倒角減小。研究表明，適當(dāng)大小的外圓倒角和 90 度的內(nèi)圓心角可以使 果表明，預(yù)測(cè)結(jié)果很好的吻合了實(shí)驗(yàn) 、理論計(jì)算和來(lái)自其他文獻(xiàn)的研究結(jié)論。 ?2009 關(guān)鍵詞： 合金；等通道彎角擠壓；有限元；模具圓心角；變形不均勻性 1. 緒 論 由于超細(xì)晶材料擁有諸如高強(qiáng)度，高延展性的優(yōu)良機(jī)械性能，從而被廣泛研究。通過(guò)各種技術(shù)獲得超細(xì)晶材料得到了迅速的發(fā)展。劇烈塑性變形（ 術(shù)，像等通道彎角擠壓（ 高壓扭轉(zhuǎn)（ 循環(huán)通道模壓縮（ 累積軋制（ 用相對(duì)低的代價(jià)在金屬材料中產(chǎn)生亞微觀晶粒結(jié)構(gòu)的最常見(jiàn)方法。在這些方法中，等通道彎角擠壓（ 獲得高強(qiáng)度，高韌性材料的最有效方法之一，它是由 出從而發(fā)展過(guò)來(lái)的。在 ，擠壓件在壓力作用下通過(guò)兩個(gè)成一定角度的等橫截面管道的模具。因?yàn)閿D壓件在擠壓過(guò)程中橫截面保持不變。所以這個(gè)過(guò)程可以反復(fù)進(jìn)行，從而使累積變形達(dá)到理想水平。高應(yīng)變是可以達(dá)到的。有限元方法是了解 程中變形情況的重要方法之一。許多以有限元方法為基礎(chǔ)的分析用來(lái)確定材料的變形過(guò)程和估計(jì)在 程中的增應(yīng)變。這些研究工作包括 對(duì)通道角度和外拐角對(duì)摩擦條件的影響的研究 [1]，人對(duì)通道角度和外拐 角的影響的研究和 人對(duì)外拐角對(duì)不均勻性的影響的研究 [2]， 轉(zhuǎn)角差距變形及其影響的研究 [3]， 通道角度和山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 外文文獻(xiàn)及譯文 - 2 - 圓心角對(duì)材料流動(dòng)的影響的研究 [4],C 等人對(duì)不同材料模型，圓心角和摩擦系數(shù)的廣泛研究 [5],人對(duì)金屬不均勻變形的原因的研究 [6],人對(duì)反壓力的影響的研究，C 等人對(duì)均勻塑性變形的最佳模具設(shè)計(jì)的研究 [7]。然而，這些研究是在假設(shè)了平面應(yīng)變條件的二維近似下進(jìn)行的，沒(méi)有討論應(yīng)力，應(yīng)變的不均勻性。通過(guò)二維分析獲得的結(jié)果只提供了 有限的信息，另外產(chǎn)生了不可避免的二維近似的誤差。 一些研究人員 [8探索 程中使用了三維可塑性理論與模擬軟件。 é 1]用上限法對(duì)三維 的方形橫截面進(jìn)行了分析，其中將內(nèi)外半徑都考慮了進(jìn)去并且做了交叉角。 人完成了 三維模擬分析。 [12]使用商用的有限體積法（ 件對(duì)變形過(guò)程的每一道次進(jìn)行等效應(yīng)力應(yīng)變分析。在參考論文 [13]中三維有限元法用于分析處于在四百度下的 藝路線 四個(gè)道次下的工業(yè)純鈦（ 坯。但很少有研究 人員通過(guò)三維仿真技術(shù)，探討 合金的變形過(guò)程，特別是模具結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)變分布和擠壓質(zhì)量的影響。 許多 關(guān)于 期的研究 僅僅局限于對(duì)軟純金屬和固溶體合金的變形過(guò)程的研究。而在最近，復(fù)雜的合金和一些有限數(shù)量的滑移系統(tǒng)的金屬的擠壓過(guò)程被更多的重視，特別是對(duì)鎂合金。對(duì)于這些難變形的材料， 三個(gè)方法可以使其成功變形。 當(dāng)前的研究趨勢(shì)是從 處理以獲取細(xì)晶粒鎂合金樣本[14 圖 1. 具拐角（ ? ）和圓心角（ ? ）示意圖 圖 1 是一個(gè) 示意圖。底模中包含兩個(gè)具有相同截面積的交叉通道，這兩個(gè)通道以拐角 ? 交叉（如圖一）。在圖中，兩個(gè)通道交叉的外曲面被定義為角 ? 。在這樣的背景下，利用極端原則，例如，廣泛使用上限法去估計(jì)所需沖頭的壓力和 法所導(dǎo)致的累積等效應(yīng)變?；谟邢拊ǎ?數(shù)值模擬廣泛運(yùn)用優(yōu)化了 法 [21山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 外文文獻(xiàn)及譯文 - 3 - 程中的塑性變形過(guò)程主要受模具的幾何形狀，材料本身和加工條件的影響。模 具幾何形狀對(duì) 程有影響已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元分析得到了證實(shí)。有必要為了更好的控制成型過(guò)程而從理論上建立 程模型分析研究各種復(fù)雜的因素。 這項(xiàng)研究系統(tǒng)的分析了 合金在等通道彎角擠壓（ 程中的變形情況，并預(yù)測(cè)了不同模具結(jié)構(gòu)下 成納米結(jié)構(gòu)過(guò)程的應(yīng)變與擠壓力。 在最近的研究中，提出了一種通過(guò)有限元方法模擬 程的準(zhǔn)靜態(tài)處理方法。這種方法所用的模具含內(nèi)角 90 度和 120 度，并且只有一道次擠壓。用 件建立了四種型并且也用 件對(duì)這四種模型劃分 了網(wǎng)格、進(jìn)行了模擬。數(shù)字模擬程序、模具的建模、坯料、邊界條件、限制變形模擬的收斂誤差和基礎(chǔ)公式都相繼被提出。已經(jīng)研究了在 程中不同的模具幾何形狀對(duì)變形不均勻性的影響。在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)用兩個(gè)有或沒(méi)有倒角的 具做試驗(yàn)證實(shí)了模擬的結(jié)果。因?yàn)轱@微組織的變化和變形金屬的力學(xué)性能直接與塑性變形量有關(guān)，而對(duì)與應(yīng)變變化有關(guān)的現(xiàn)象的理解在 程中很重要。等效應(yīng)力應(yīng)變的分布、模具拐角對(duì)不同地方的變形和均勻變形的影響、最大應(yīng)變都已經(jīng)詳細(xì)的研究過(guò)。 2. 材料模型及模擬細(xì)節(jié) 商業(yè)化的有限元程序（ ） ，被用來(lái)對(duì) 一道次進(jìn)行模擬。 些假設(shè)和數(shù)值模擬程序 在電腦模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，由 3%鎂和 1%鋅構(gòu)成的 鍛鎂合金被用來(lái)做坯料。運(yùn)用商業(yè)化的有限元軟件（ 靜態(tài)地進(jìn)行數(shù)值模擬。 由 是一套基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元系統(tǒng)（ 專門設(shè)計(jì)用于分析各種金屬成形過(guò)程中的三維流動(dòng)。它提供了有關(guān)于成形過(guò)程中材料和溫度流動(dòng)的重要信息。坯料被假定為彈塑性材料。在本文中遵守以下幾個(gè)假設(shè)：（ 1）容器和模具都是剛體；（ 2）被擠壓的坯料 是一個(gè)剛塑性材料；（ 3）被擠壓坯料和沖頭、容器、模具之間的摩擦因子是常數(shù)的。 模擬程序如下：（ 1）在 件中通過(guò)建立三維 型定義三維幾何特征（鋼坯，沖頭和模具）。幾何數(shù)據(jù)可以被定義為 3D 件。（ 2）設(shè)置停止路徑，設(shè)定步數(shù)，選擇模擬模式和英制或國(guó)際單位。（ 3）對(duì)研究對(duì)象（坯料和模具）劃分網(wǎng)格。確定研究對(duì)象的位置，以擠壓件作為參考對(duì)象，模具與沖頭與擠壓件接觸。定義材料性能。（ 4）設(shè)定熱邊界條件。（ 5）研究物體溫度的初始化。（ 6）生成接觸性邊界條件，設(shè)定模具與坯料、沖頭與坯料間的摩擦系數(shù) 。（ 7）設(shè)定沖頭的運(yùn)動(dòng)參數(shù)（速度與方向）。（ 8）核對(duì)數(shù)據(jù)，山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 外文文獻(xiàn)及譯文 - 4 - 運(yùn)行并計(jì)算，對(duì)模擬的熱擠壓過(guò)程進(jìn)行有限元分析。（ 9）從后處理中分析模擬結(jié)果。 圖 2. 三維 a）模具拐角等于 90度；（ b）模具拐角等于 120度；（ c）存在內(nèi)部倒角的模具拐角等于 90度（ d）存在內(nèi)部倒角的模具拐角等于 120度，這里 是內(nèi)部倒角的半徑 頭和模具的建模 如圖 2 為模擬中所用的模具的幾何特征。本研究中，坯料所用坐標(biāo)軸如圖 2 所示。 X，Y,Z 方向分別平行于擠壓方向，垂直方向和橫向方向。圖 2 中 a 和 b 分別為模具拐角 ? 等于 90 和 120 度，假定模具圓心角（ ? ）等于零。圖 2 中 c 和 d 為修改后的在外拐角處存在內(nèi)部倒角的幾何特征。圖 2 中的四個(gè) 具的幾何參數(shù)如表 2 所列。兩個(gè)通道的內(nèi)交叉拐角半徑為 2 毫米，外交叉拐角為 18 毫米。進(jìn)物通道的長(zhǎng)度為 50 毫米，出物通道的長(zhǎng)度為 25 毫米。進(jìn)物通道和出物通道有相同的橫截面積（直徑為 16 毫米）。 表 3 列出了在計(jì)算機(jī)模擬中使用的尺寸，擠壓速度和溫度等，這些數(shù)據(jù)和擠壓試驗(yàn)中所用一樣。在 模擬和試驗(yàn)中，沖頭的速度為每秒 10 毫米，方向?yàn)檠刂M(jìn)物通道向下運(yùn)動(dòng)。沖頭的路徑為 50 毫米。 為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，假定沖頭和模具為剛性材料，這些材料不產(chǎn)生永久變形，如圖 3a 和 13 工具鋼的機(jī)械性能， a 圖為楊氏模量隨溫度的關(guān)系， b 圖為熱傳導(dǎo)隨山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 外文文獻(xiàn)及譯文 - 5 - 溫度變化的關(guān)系，泊松比為 過(guò)有限元分析方法分析四種不同幾何結(jié)構(gòu)的模型，揭示了變形過(guò)程和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系。 表 1 表 2 表 3 模擬和實(shí)驗(yàn)參數(shù) 圖 3. 料的建 模 用于模擬的坯料是一個(gè)橫截面為圓形（直徑為 16 毫米），高為 50 毫米的圓柱。視 文文獻(xiàn)及譯文 - 6 - 為各向同性的彈塑性材料。如圖 4 所示，為 料在 300 攝氏度下的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，其中坯料經(jīng)過(guò) 12 小時(shí)， 400 度的退火處理。從單軸壓縮試驗(yàn)中所得的流動(dòng)應(yīng)變應(yīng)力數(shù)據(jù)被用于進(jìn)行有限元分析，進(jìn)行分析所用的商用軟件為 性性能為 E=45料的力學(xué)性能參數(shù)列于表一。 分網(wǎng)格的方法 在整個(gè)模擬中，自動(dòng)劃分網(wǎng)格系統(tǒng)是用來(lái)調(diào)整大的應(yīng)變并計(jì)算局部流動(dòng)的發(fā)生。減少模擬過(guò)程 中產(chǎn)生的誤差。在 擬過(guò)程中，如果元素變得混亂就會(huì)自動(dòng)生成網(wǎng)格。 在模擬過(guò)程中所有的擠壓工具都可以劃分網(wǎng)格生成四面體單元，并且它與坯料進(jìn)行的熱交換也可以進(jìn)行模擬。所使用的模擬參數(shù)列于表 3。為了提高模擬的效率，獲得對(duì)于特殊影響區(qū)域的詳細(xì)解釋，一些被細(xì)化的網(wǎng)格被用于表示一些細(xì)小的部分，特別是圍繞模具的模具拐角處。為了保證模擬的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，用絕對(duì)的網(wǎng)格密度來(lái)保證在模擬過(guò)程中任何位置的元素尺寸幾乎不變，因?yàn)橐欢ǖ拿芏葘⑾薅嗽谂髁媳砻鎲挝婚L(zhǎng)度上的元素個(gè)數(shù)。每個(gè)元素的最小尺寸為 米，坯料被 劃分為 20000 個(gè)四面體單元，沖頭和模具的網(wǎng)格個(gè)數(shù)分別為 8000 和 20000。通過(guò)計(jì)算各種不同的網(wǎng)格數(shù)，很好的描述了應(yīng)變率不明顯坯料的局部變形。為了限制模擬文件的大小和提高模擬速度，當(dāng)擠出的長(zhǎng)度超過(guò) 50毫米時(shí)在長(zhǎng)為 50 毫米處截?cái)唷．?dāng)坯料邊緣的任何一個(gè)網(wǎng)格已經(jīng)滲透，并且滲透的深度超過(guò)了表面邊緣的原始長(zhǎng)度的百分之三十，這個(gè)表面邊緣在每個(gè)尾端有了接觸點(diǎn)，那么 相對(duì)小的干擾深度被定義喚起劃分網(wǎng)格系統(tǒng)。 圖 4. 在測(cè)試過(guò)程中修正了變形熱的 00℃下不同應(yīng)變速率擠壓過(guò)程的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖 界條件 觸和摩擦邊界條件 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 外文文獻(xiàn)及譯文 - 7 - 接觸邊界條件是指坯料的節(jié)點(diǎn)和這些節(jié)點(diǎn)與沖頭的特定接觸。為了保證軟件中使用的牛頓 坯料頂端的垂直方向的壓縮位移被確定以 米的增量增加到總體為 50 毫米的位移。牛頓 為比起其他現(xiàn)有的方法，這種迭代方法的重復(fù)性更小。然而比起其他方法，解決問(wèn)題更有可能不與這種方法銜接。 為了用摩擦性能描述剪切應(yīng)變和接觸應(yīng)力的結(jié)果，一般使用庫(kù)倫定律。工件與模具之間的摩擦力被認(rèn)為是剪切力。眾所周知，這一定律闡述了由于摩擦存在剪切屈服應(yīng)力和 接觸壓力之間的平衡關(guān)系。特別是在 件中，這個(gè)通過(guò)米塞斯屈服準(zhǔn)則驗(yàn)證過(guò)的關(guān)系修訂成為簡(jiǎn)單剪切條件，并且可以用等式（ 1）來(lái)表示： 3??? ? (1) 在這里 ? 是摩擦切應(yīng)力， ? 是工件的等效流動(dòng)應(yīng)力。 ）（ 10 ?? ?? 是摩擦因素。在本模擬中，模具和工件間的摩擦系數(shù)為 定工件與沖頭間有相同摩擦系 數(shù)。 度邊界條件 無(wú)論是模具和周圍環(huán)境間的熱交換，還是坯料和模具間的熱交換都應(yīng)該被考慮在內(nèi)。所使用的牛頓冷卻原理表示為等式（ 2）： ? ????? (2) h 為坯料和模具的熱傳遞系數(shù)， 模具的溫度， i 方向上的法線。 在本課題中，環(huán)境溫度設(shè)為 25 攝氏度， 具的溫度為 275 攝氏度。在實(shí)驗(yàn)中，壓下力受到?jīng)_頭最高速度的限制。模具與坯料之間的熱傳遞系數(shù)為 11，工件與環(huán)境間的熱傳導(dǎo)系數(shù)為 具鋼的輻射系數(shù)分別為 擬中的收斂性 通過(guò)改變不同參數(shù)使被研究的變量變成不變量估計(jì)的收斂性是有限元模擬中必不可少的一個(gè)程序 [26]。必須控制的參數(shù)是網(wǎng)格尺寸和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（ 米），接觸參數(shù)，網(wǎng)格劃分參數(shù)，增量尺寸（一步所需時(shí)間為 ），收斂限制，求解參數(shù)（位移增量是 米），模具摩擦參數(shù)（在庫(kù)倫定律中使用）和模具與工件的幾何實(shí)體模型。在這些參數(shù)中，顯然，最重要的參數(shù)為網(wǎng)格尺寸，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，收斂極限和每步所用時(shí)間。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 外文文獻(xiàn)及譯文 - 8 - 模擬的收斂性依賴于應(yīng)力 里有三種初始預(yù)測(cè)方法：（ 1）塑性解決方案：使用純塑性變形數(shù)據(jù)進(jìn)行初始預(yù)測(cè)；（ 2）彈性解決方案：使用純彈性變形數(shù)據(jù)進(jìn)行初始預(yù)測(cè)；（ 3）前一步解決方案：使用前一工步的彈塑性解決方案進(jìn)行初始預(yù)測(cè)。前一步解決方案在大多數(shù)情況上能提供最好的收斂性。如果遇到特殊情況，收斂性很差，可以用彈性或塑性解決方案。 對(duì)于每一工步收斂的基 礎(chǔ)是速度和等式 2 的壓力收斂錯(cuò)誤限制。當(dāng)： ? 和? （ 3） 收斂性被假設(shè)。這里 u 是指在當(dāng)前迭代關(guān)系中節(jié)點(diǎn)速度的歐式標(biāo)量， u? 是指當(dāng)前迭代關(guān)系和迭代一開(kāi)始時(shí)節(jié)點(diǎn)速度的差值，f 是指當(dāng)前迭代關(guān) 系中節(jié)點(diǎn)壓力的歐式標(biāo)量， f? 是指當(dāng)前迭代關(guān)系和迭代一開(kāi)始時(shí)節(jié)點(diǎn)壓力的差值，果點(diǎn)力將不會(huì)檢查收斂。默認(rèn)值適用大多數(shù)情況。 為了假設(shè)在使用有限元模擬軟件時(shí)牛頓 模位移被設(shè)定為以 米的增量增加到 50 毫米的總位移處。在 件的模擬系統(tǒng) 中，速度收斂錯(cuò)誤限制為 力收斂錯(cuò)誤限制為 3. 細(xì)節(jié) 縮試驗(yàn) 在本研究中最初的材料是直徑為 50 毫米桿狀鑄態(tài) 預(yù)擠壓中，直徑 10 毫米，高度為 12 毫米圓柱試樣在其縱向方向上進(jìn)行機(jī)械加工。為熱加工性分析的單軸壓縮試驗(yàn)利用 500D 機(jī)在國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)鎂合金工程研究中心進(jìn)行演示。在恒應(yīng)變率范圍為 10 和初步溫度為 300 至 500 攝氏度。試樣的電阻熱通過(guò)熱電偶發(fā)送反饋信號(hào)控制的交流電流。用一個(gè)非常不錯(cuò)，快速反應(yīng)的直徑 毫米熱電偶來(lái)進(jìn)行捕獲試驗(yàn)第 二小部分到應(yīng)變速率達(dá)到十的短時(shí)間跨度的溫度變化。為避免在試驗(yàn)期間焊接和熱電偶從試樣表面分離時(shí)出現(xiàn)的困難，熱電偶插入在試樣中間高度的一個(gè)非常小的鉆孔內(nèi)。石墨化的金屬薄片被放置在試樣和被潤(rùn)滑的壓盤(pán)之間。試樣以每秒鐘十?dāng)z氏度加熱到預(yù)先設(shè)定的溫度，浸泡 60 s 以保證溫度平衡，然后壓縮到高度為 米，達(dá)到真正的應(yīng)變 10。所有的試驗(yàn)在真空中進(jìn)行。在試驗(yàn)中所測(cè)量的流動(dòng)應(yīng)力曲線被糾正，這系列被糾正的應(yīng)力應(yīng)變曲山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 外文文獻(xiàn)及譯文 - 9 - 線如圖四所示。 測(cè)試驗(yàn) 方坯材料同壓縮試驗(yàn)和有限元分析中所使用的材料相同。為了驗(yàn)證有限元分析的結(jié)果，制造 生產(chǎn)無(wú)內(nèi)圓角的和頂角含圓角的 90 度的等通道轉(zhuǎn)角擠壓模具來(lái)進(jìn)行演示實(shí)際的擠壓工藝。在試驗(yàn)中的鋼坯，模具和那些在模擬中的材料有著相同的幾何參數(shù)。模具材料，模具尺寸，鋼坯尺寸和擠壓條件都同如上所述的數(shù)值模擬是相同的。在擠壓前，鋼坯被擠壓成直徑為 10 毫米的桿狀結(jié)構(gòu)。鋼坯和模具的通道都涂上一層石墨潤(rùn)滑劑。在直接擠壓模式中真正的擠壓試驗(yàn)以 2行擠壓操作。擠壓試驗(yàn)通過(guò)熱阻容器和加熱器得以進(jìn)行。鋼坯的外表面被加熱到 300 攝氏度和移入到模具中預(yù)熱溫度達(dá)到 275 攝氏度以避免過(guò)多散熱然后擠壓立即開(kāi)始。在試驗(yàn)驗(yàn)證期間壓力機(jī)滑塊 速度為 5mm/s，擠壓壓力通過(guò)壓力傳感器和沖擊時(shí)間來(lái)進(jìn)行計(jì)算。在擠壓循環(huán)后，擠壓期間擠壓力的演進(jìn)通過(guò)擠壓桿來(lái)進(jìn)行策劃。 4. 結(jié)果和討論 在有限元模擬 重要的一點(diǎn)必須指出那便是有限元分析自主的控制模具的幾何形狀以改善模擬效率。最常見(jiàn)的任意的和最少核實(shí)的參量是通道角（ ? ）。根據(jù)通過(guò)模擬所獲得的結(jié)果，在 藝中有效應(yīng)力和應(yīng)變的分布已經(jīng)被描述。在同性質(zhì)變形當(dāng)中的通道角的影響，最大應(yīng)變（，所需的 負(fù)載等等都將在本部分進(jìn)行討論。 藝中有效應(yīng)力應(yīng)變的分布 在 程中預(yù)應(yīng)變的分析證實(shí)了鋼坯變形在數(shù)量上的一些見(jiàn)解。圖五顯示了在一次進(jìn)程中鋼坯的有效應(yīng)力應(yīng)變，它證實(shí)了有關(guān)應(yīng)變分布的一些重要信息。 圖五 a和 0度的 效應(yīng)力的材料在圖 5a 和 c 中看不到，最大有效應(yīng)力在一百步模具底部直壁部分附近的轉(zhuǎn)角處約為 帕。在第一次擠壓后晶粒的尺寸與教授 其他一些人 [27， 28]所分析的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同。初始的擠壓變形 是非均勻的，從圖五 b 中最高應(yīng)變發(fā)生在第五十步的外部轉(zhuǎn)角處。應(yīng)變的分布在轉(zhuǎn)角處具有變形梯度的網(wǎng)格狀分布的，在這個(gè)位置的變形接近于簡(jiǎn)單的剪切變形，但變形的不均勻性在圖五 d 的 100 步比圖五 b 的 50 步變得更好一些。 不同區(qū)域的形中通道角度的影響 在頂部呈三角形部分的應(yīng)變接近于 0 如圖 6a 和 c 所示。在整個(gè)工件中最大應(yīng)變?cè)谒苄宰冃螀^(qū)。在頂部區(qū)域通道缺口處， 120 度模具被觀察。 90 度模具通道缺口處是比較小的，山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 外文文獻(xiàn)及譯文 - 10 - 在這個(gè)區(qū)域的尾部應(yīng)變?yōu)?0。 圖 5. 不帶倒角的拐角為 90 度的等效應(yīng)力應(yīng)變分布圖：（ a）第 50步時(shí)的等效應(yīng) 力等高線圖：（ 1）頭部，（ 2）穩(wěn)定狀態(tài)區(qū)域，（ 3）塑性變形區(qū)域，（ 4）尾部；（ b）第 50步的等效應(yīng)變等高線圖；（ c）第 100步時(shí)的等效應(yīng)力等高線圖；（ d）第 100步時(shí)的等效應(yīng)變等高線圖。變形工件的不同區(qū)域 在兩個(gè)通道的交叉點(diǎn)上，工件不能完全填滿轉(zhuǎn)角導(dǎo)致缺口的變形。彎道處如果全被塑性材料填滿，通過(guò)圖 6a 和 c 觀察得彎道缺口隨著彎道角的增加而增加。彎道缺口的變形可以歸結(jié)為材料行能和模具通道角的原因。從圖 6b 可以看出， 90 度的 具比 120 度的模具更容易累積應(yīng)變。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 外文文獻(xiàn)及譯文 - 11 - 圖 6. 帶內(nèi)通道倒角且內(nèi)角為 90度和 120度時(shí)等效應(yīng)變的分布圖：（ a）內(nèi)角為 90度的第 50步的等效應(yīng)力等高線；（ b）內(nèi)角為 90度的第 100步的等效應(yīng)變等高線；（ c）內(nèi)角為 120度的第 50步的等效應(yīng)變等高線；（ d）內(nèi)角為 120度的第 100步的等效應(yīng)變等高線 品變形均勻性分析 隨著遠(yuǎn)離 工件塑性變形區(qū) ， 應(yīng)變分布開(kāi)始趨于穩(wěn)定，應(yīng)變 不再 進(jìn)一步 發(fā)生 變化 ，且 行程長(zhǎng)度 的 增加將 使 這部分穩(wěn)態(tài)區(qū) 擴(kuò)大 。曲率角度 ? 是指 模具 兩部分外弧通道相交 匯處角度 。作用在 樣品 上的應(yīng)變一定時(shí)， 這個(gè)角度只發(fā)揮 了 次要作用。盡管如此， 研究這個(gè)角度對(duì) 生產(chǎn)超細(xì)晶材料 中的影響是十分重要的 。 圖 6 顯示 了 通過(guò) 外部空間交叉角為 90、 120 和圓角的 具作用下，在第 50 和山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 外文文獻(xiàn)及譯文 - 12 - 100 擠壓步驟 中所發(fā)生的定量應(yīng)變分布。伴隨著 有效應(yīng)變下降 ，與圖 5b、 d 輪廓圖 相比 ，可 清楚地發(fā)現(xiàn) 圖 6a、 b 中的 變形均勻性 增加。與圖 5d 相比較在 圖 6b 中 坯料形狀 存在 較少的 損壞 。 變形不均勻性 的 量化程度， 可采用 變形不均勻性指數(shù) C 被 定義為等式 （ 4）： ?? ? ， （ 4） 在 這里 和 別 指最高等效塑性應(yīng)變 、 最低等效塑性應(yīng)變和平均等效塑性應(yīng)變。表 4 列示出了在 不同條件下 擠壓第 100 步的 有效應(yīng)變 與 變形不均勻性指標(biāo) 。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 隨渠道角（ ? ）和 外部 隅角 的增加， 有效應(yīng)變（包括 及 下降。 變形不均勻性指標(biāo) 的變化 與否同 內(nèi) 部 隅角（ ? ）和 圓角變化相關(guān) 。 由 表 4 可見(jiàn)， 內(nèi)隅角 為 90 和 外隅角為圓角的 具所造成的同質(zhì)性是最好的 。 可以得出結(jié)論， 增加 渠道角度和外 部 空間圓 角加工將改善變形均勻性， 而且 同時(shí) 也 降低 了 累積應(yīng)變。 表 4 第 100步擠壓中的不均勻變形指數(shù) 圖 7a 和 b 分別顯示了有外 隅 圓角和沒(méi)有外 隅 圓角的 90°角 具擠壓的 。這也能被發(fā)現(xiàn)， 通過(guò) 如圖 5d 與 6d 的 模擬 后， 鋼坯 會(huì)發(fā)出 聲音 。 在圖 7a 中 棒 坯表面 明顯 出現(xiàn)了 持續(xù) 性 裂縫 和 純脆 性開(kāi)裂缺陷，而如圖 6b 所示，我們發(fā)現(xiàn)了 表面光潔度 更好且 沒(méi)有任何缺陷的產(chǎn)品 ， 這 說(shuō)明了圖 7b 中 變形均勻性的棒 坯要優(yōu)于圖 7a 中的。具有外 隅圓角的 90°內(nèi)角 具 造成 的 均勻變形 要優(yōu)于沒(méi)有外 隅 圓角的 90°內(nèi)角 具。 一般較大 圓角 通道角度 將引起 較低的壓力，但應(yīng)變分布更 加 均勻 。 個(gè) 程中 最大應(yīng)變值 模具拐角對(duì)工件的變形有重要影響。擠壓工件中有效應(yīng)變的分配與擠壓方向和工件長(zhǎng)度是獨(dú)立的?？梢哉J(rèn)為，主要變形區(qū)（ 橫截面變形分布表征了整個(gè)工件。 均勻的區(qū)域，而且其中晶粒已經(jīng)得到 改善。因此，本文主要側(cè)重于根據(jù)有限元分析的結(jié)果討論橫截面的變形分布。分析了沿工件寬度的有效應(yīng)變的變化，并策劃了沿工件寬度的有效應(yīng)變。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 外文文獻(xiàn)及譯文 - 13 - 圖 7. 實(shí)驗(yàn)所用擠壓棒：（ a） 120度模具擠壓（ b） 90度模具擠壓 圖 8 顯示主要變形區(qū)（ 不同模具拐角的有效應(yīng)變變化曲線。數(shù)據(jù)給出了模擬結(jié)果（圖 2 所示）。在 程中，工件 有效應(yīng)變會(huì)隨著模具拐角的增大而相應(yīng)減小。 應(yīng)變累積最大值可由公式（ 5）計(jì)算，模擬結(jié)果列于表 5。從模擬和理論計(jì)算具造成的 積最大值可知，模具角 90 度時(shí)的最大值高 于模具角 120 度的，降低模具拐角。當(dāng)拐角相同時(shí)，最大有效應(yīng)變與模型（圖 2a 和 b）相比，急劇下降： ?????????????????? ??????????? ????322c s o ， （ 5） 從表 5 可以看出，如果我們想取得 ? = 10 的應(yīng)變量，模具角 ? =90°時(shí)， 它需要少于 2道次的擠壓變形積累。而模具角 ? = 120°時(shí)，擠壓 道次就要超過(guò) 2 。因此，為了提高累計(jì)變形的效率，如果模具的材 料強(qiáng)度足夠，應(yīng)取模具角 ? = 90° 。如果抵抗力量非常大，必須考慮模具的強(qiáng)度和有效應(yīng)變，應(yīng)取模具角 ? = 120°。 對(duì)于這一點(diǎn)，模具擠壓轉(zhuǎn)角應(yīng)認(rèn)真考慮和選定。 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是應(yīng)變，應(yīng)變速率，溫度，初始晶粒尺寸的函數(shù)，并隨時(shí)間改變。 和有效應(yīng)變之間的關(guān)系： ???????????????? ???? r e x ??， （ 6） 從公式（ 6）可知，動(dòng)態(tài)重結(jié)晶分?jǐn)?shù) X 隨有效應(yīng)變的 增加而增加?？梢缘贸鲞@樣的結(jié)論，模角 90° 的 具造成的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于模角 120°的 具所造成的，這是因?yàn)榍罢弋a(chǎn)生的應(yīng)變大于后者。在文獻(xiàn) [29]中， 合金通過(guò)兩個(gè)不同的 具制得，其中圓心角分別為 90° 和 120° 。合金在圓心角為 120°的模具中擠壓 12 道后的山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 外文文獻(xiàn)及譯文 - 14 - 力學(xué)性能非常接近于圓心角為 90°的模具 經(jīng)過(guò) 8 道擠壓。這就是說(shuō)由 90°角模具 所造成的每道應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 120°角模具 。在金相圖 ，每經(jīng)過(guò)一道擠壓時(shí)，合金晶粒就會(huì)由于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶而得到有效細(xì)化?？梢园l(fā)現(xiàn)，通過(guò)壓力加工在原始 晶粒周圍產(chǎn)生一些微小的亞晶粒，模具角為 90° 的模具加工比 120°的模具加工產(chǎn)生更加細(xì)小的 顆粒。 圖 8. 模具結(jié)構(gòu)的四個(gè)條件下的最大應(yīng)變曲線 表 5 預(yù)先計(jì)模擬的在整個(gè) 載和敲擊曲線 圖 10 中的數(shù)據(jù)表明，在壓制過(guò)程中，模擬和實(shí)驗(yàn)的擠壓載荷是復(fù)雜多變的，包括模具轉(zhuǎn)角為 90° 或 120°，有無(wú)內(nèi)圓角等各種因素 。圖 a 和 b 分別顯示了轉(zhuǎn)角 90°模具有無(wú)內(nèi)圓角所 造成的預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)載荷。通過(guò)數(shù)據(jù)看出，轉(zhuǎn)角為 90°有無(wú)內(nèi)圓角的模具產(chǎn)生的 應(yīng)力曲線，見(jiàn)圖 b，是通過(guò) 壓力傳感器和上述試驗(yàn)的敲擊而測(cè)得的。正如所見(jiàn)，模擬水平與實(shí)驗(yàn)值有良好的匹配。最大擠壓應(yīng)力值是高分辨率探針通過(guò)有限元模擬得到的。從圖10 擠壓載荷曲線可分為兩個(gè)階段：最初擠壓階段和穩(wěn)定階段。在初始擠壓階段，當(dāng)接觸模具轉(zhuǎn)角，坯料受到嚴(yán)重塑性變形。負(fù)荷快速增加到最大負(fù)載，這個(gè)階段并不穩(wěn)定。在擠壓穩(wěn)定階段，鋼坯不斷的通過(guò)模具轉(zhuǎn)角。負(fù)載在平均值附件波動(dòng)并逐漸下降。鋼坯的變形加工主要是在這個(gè)階段實(shí)現(xiàn)。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 外文文獻(xiàn)及譯文 - 15 - 圖 9. 經(jīng)過(guò) a）在 120度模具中（ b）在 90度模具中 在圖 10 c 中，轉(zhuǎn)角為 120° 確定了最高水平的變形負(fù)荷為 3000 N；壓下量約 45 毫米時(shí)達(dá)到最大值。此時(shí)對(duì)應(yīng)的情況為模具通道填充滿材料。此外，變形負(fù)荷隨著整個(gè)鋼坯經(jīng)歷了變形而降低，標(biāo)志是相同章節(jié)的兩個(gè)通道的等分。通道之間內(nèi)在過(guò)渡半徑（ r = 18 存在減少了負(fù)載。 拐角為 90°（圖 a），無(wú)內(nèi)圓角的上模 最高載荷為 2259 N。如果有內(nèi)圓角的模具在役（如圖 .2 c 和 d），上模的負(fù)載與無(wú)內(nèi)圓角的相比會(huì)降低。所表 6 列出了在不同條件下 所需的擠壓力。很明顯，模具拐角是影響擠壓載荷的一個(gè)重要因素，擠壓載荷隨著模 具拐角的增大而迅速減少。結(jié)論是 具中的內(nèi)圓角可以減少擠壓載荷。 了解有效應(yīng)變的分布和規(guī)模是有必要的，應(yīng)在壓制過(guò)程作出分析。然而，擠壓壓力也影響模具壽命。因此，計(jì)算和預(yù)測(cè)通道轉(zhuǎn)角對(duì)有效載荷和工件中有效應(yīng)變的分布的影響是很重要的。一方面，增加通道角可減少擠壓負(fù)荷，以改善 具的壽命。另一方面，增加通道角可以降低工件的有效應(yīng)變。 5．結(jié) 論 鑄態(tài) 合金鋼坯在 300℃ 經(jīng)過(guò) 道擠壓，可以成功的獲得完整的三維有限元模擬。在 程中，數(shù)值和物理模擬很大程度上幫助了解 合金的變形 行為。 在這次研究中通道拐角和內(nèi)圓角的重要性得到了證明。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過(guò)比較三維有限元模擬理論計(jì)算結(jié)果，相當(dāng)于在整個(gè) 程中增加了應(yīng)變。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 外文文獻(xiàn)及譯文 - 16 - 圖 10. 不同條件下的載荷曲線圖：（ a）沒(méi)有倒角的 90度模具的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，（ b）有倒角的 90度模具的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，（ c）有或沒(méi)有倒角的 120度模具的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果 表 6 不同條件下的擠壓力 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 外文文獻(xiàn)及譯文 - 17 - 對(duì)變形異質(zhì)性鋼坯的 程進(jìn)行了分析，這表明了前二維有限元模型的不足。在轉(zhuǎn)角處內(nèi)圓角的存在可以改善變形的不均勻性。用通道角為 90° 和 120°，有無(wú)內(nèi)圓角的模具進(jìn)行 道擠壓，在鋼坯表面上顯示了不均勻變形。從模擬和試驗(yàn)結(jié)果得知，在轉(zhuǎn)角處有內(nèi)圓角的同質(zhì)變形優(yōu)于沒(méi)有內(nèi)圓角的，是因?yàn)閮?nèi)通道表面在兩個(gè)直通道交界處的內(nèi)圓角有助于軟化的加工材料的高效率流動(dòng)。 從模擬、理論和文獻(xiàn)知，內(nèi)拐角越小可以得到較高的累積應(yīng)變，并產(chǎn)生更多的細(xì)小晶粒。 上模的荷載主要因內(nèi)圓角而減小。通道角主要影響了應(yīng)變分布。 如果擠壓力是足夠的話，通道角 90°有內(nèi)圓角的 具有利于改進(jìn)由 鋼坯的塑性和變形的均勻性。 鳴 謝 這項(xiàng)研究非常感謝國(guó)家 973 計(jì)劃（ 2007于鎂 合金的高性能加工與制備在關(guān)鍵問(wèn)題上的基礎(chǔ)支持，第十一屆全國(guó)五年計(jì)劃（ 2006技項(xiàng)目的支持，以及連續(xù)鑄造與模擬技術(shù)（第科委， 2007關(guān)于凝固偏析的數(shù)學(xué)模型的研究工作。 參考文獻(xiàn) [1] . of J 001;44(1):91– 6. 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