铝合金大型复杂构件热处理过程的多场耦合模型与变形预报

摘要

Al-Si系是铸造铝合金中用途最广的合金系,其中ZL114A合金以其优良的铸造性能、良好的耐腐蚀性及较高的比强度,广泛应用在航空航天及汽车产业等领域。Al-Cu系中的ZL205A合金是另外一种被广泛应用在航空航天等领域的铸造铝合金。航空航天等尖端技术的快速发展使铸造铝合金构件的大型化、整体化及复杂化成为必然趋势,热处理作为铸造铝合金大型复杂构件的最后一道热加工工序就显得尤为重要。预测和控制构件的淬火残余应力及淬火变形一直是航空航天领域迫切需要解决的问题。影响铝合金大型复杂构件淬火残余应力及变形的因素主要有构件的结构特点和尺寸大小,构件材料的热物性能和力学性能,淬火介质的冷却性能,构件进入介质的方式,边界条件及人为因素等。但目前针对大型复杂构件的淬火变形问题尚未有系统和全面的研究。
　　本文首先通过差示扫描量热分析和金相分析的方法,确定了ZL114A和ZL205A合金的固溶温度,分别为535-550℃和540-550℃。通过热模拟实验得到了两种合金的应力-应变曲线。应变速率不变时,应力随着变形温度的升高而降低。当温度区间为300-500℃时,温度不变时,应力随着应变速率的升高而增加;但当温度小于300℃时,应变速率对应力的影响不明显。建立了温度为350-500℃时这两种合金的本构方程。本构方程计算的应力和实验值非常吻合。将变量SYIELD,HARD(1),HARD(2)和HARD(3)的表达式写入ABAQUS子程序UHARD中,本构模型在ABAQUS平台上得以实现。
　　基于淬火介质冷却特性曲线,采用反传热法求得了介质的动态换热系数。通过对比实验结果和模拟计算值,验证了介质动态换热系数的精确性。介质换热系数是温度的函数,在整个温度区间内会出现峰值。温度对水和5％UCON-A溶液的换热系数影响很大,但对20号机械油换热系数的影响不明显。
　　基于FLUENT软件分别建立了两类淬火槽的介质流场模型。随着入口速度的增大,未置搅拌系统的淬火槽其介质流速呈现增大的趋势,但曲线峰值没有规律性。对于置搅拌系统的淬火槽来说,导流筒出口圆角过渡可明显减小介质流速损耗。介质流速随着搅拌器螺旋桨转速的增大而增大,但介质流动均匀性会随之降低。螺旋桨的直径越大,介质流速越大。均流板可用来调节介质流速及其流动均匀性。在介质流场模拟精度得到验证的基础上,将FLUENT模拟计算与人工神经网络方法结合起来,建立了以螺旋桨的转速、均流板的位置及槽内x的坐标位置为输入,以介质y向速度为输出的网络。网络预测值与FLUENT模拟值的平均相对误差为4.24%。可知网络具有高精度的预测性能,由此成功实现了流场预测模型化向数字化的转变。
　　基于ABAQUS有限元软件,根据铝合金轴对称件的结构特点,对其进行边界条件、初始条件的设置及网格的划分,建立了轴对称件热处理过程的热力耦合模型。模拟计算了轴对称件加热、淬火转移及淬火冷却三个过程中的温度场,分析了淬火残余应力的大小。将轴对称件热处理后的应力场作为拉伸变形初始态,建立了拉伸去应力的有限元模型。通过建立与文献中三个铝合金长方体块相同的淬火及淬火后拉伸变形的模型,并与文献中的实验和模拟结果进行对比,验证了铝合金热处理过程热力耦合的模拟精度及模拟结果的可靠性,也验证了金属小变形有限元模拟的可行性。
　　对铝合金大型复杂构件热处理过程进行多场耦合模拟计算,研究了边界条件、固溶温度、介质及其温度、构件的壁厚、构件淬入介质所需时间及介质状态等因素对构件淬火残余应力和变形的影响规律。边界条件是大型构件淬火变形的敏感因素。固溶温度是构件淬火变形的不敏感因素。构件淬火残余应力随着水或5%UCON-A溶液温度的升高而降低。壁厚对构件最大残余拉应力的影响比最大残余压应力的明显。构件淬入介质所需的时间对其残余应力和变形均有影响。构件x和y向淬火残余拉应力的最大值随着螺旋桨转速的增大而增大。螺旋桨转速为0-600rpm时,转速对构件z向残余拉应力最大值的影响不明显,当转速为900rpm时,构件z向残余拉应力的最大值较其它几个转速下的小。
　　最后验证了实际大型复杂铝合金构件淬火变形的模拟结果。水温为25℃和80℃时,构件1的两个特征部位的淬火变形实测值与模拟结果的平均相对误差为13.4%。对于构件2,水温为25和45℃时,特征部位变形实测值与模拟结果的平均相对误差为7.6%。对于构件3,水温为60℃时特征部位变形实测值与模拟结果的相对误差为8.8%。对于构件2和3来说,构件变形的模拟值和实验值的绝对误差在0.5mm左右。综上,本文建立的大型复杂构件热处理变形数值模型具有很高的预测精度。

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Contents

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究目的意义

1.2 ZL114A和ZL205A铸造铝合金热处理的研究现状

1.3 金属大型复杂构件热处理的变形问题

1.4 金属淬火数值模拟的研究现状

1.5 国内外常用的热处理模拟软件

1.6 热处理过程数值模拟难点及问题

1.7 本文主要研究内容

第2章 材料及研究方法

2.1 研究思路

2.2 试验材料

2.3 研究对象

2.4 试验研究方法

2.5 数值模拟及优化设计方法

2.6 模拟计算的数学模型及各物理场基本假设

第3章 材料本构方程及淬火介质动态换热系数

3.1 引言

3.2 模拟计算所采用的热处理工艺

3.3 ZL114A和ZL205A铝合金本构方程的建立

3.4淬火冷却介质换热系数的计算

3.5 本章小结

第4章 淬火槽介质流场的数值模拟与优化设计

4.1 引言

4.2 淬火槽介质流场数值模型的建立

4.3 未置搅拌装置的淬火槽内介质流场模拟的研究

4.4 置搅拌装置的淬火槽内介质流速和流场均匀性及控制因素

4.5 淬火槽介质流场模拟算例验证

4.6 淬火槽介质流场模拟与人工神经网络的协同优化

4.7 本章小结

第5章 铝合金典型轴对称件热处理过程的热力耦合模拟

5.1 引言

5.2 铝合金轴对称件热处理过程数值模型

5.3 铝合金轴对称件热力耦合有限元仿真

5.4 算例验证

5.5拉伸变形消除淬火残余应力的控制因素

5.6 本章小结

第6章 铝合金大型复杂构件热处理过程的多场耦合模拟与验证

6.1 引言

6.2 铝合金大型复杂构件热处理过程数值模型

6.3 构件热处理过程的数值模拟

6.4 构件淬火残余应力及变形的控制因素

6.5 实际铝合金大型复杂构件热处理变形模拟及实验验证

6.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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