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1、钛合金塑性成形1 引言钛合金是20世纪50年代发展起来的一种重要的金属结构材料,钛及其合金因其强度高、耐高温、使用温度范围宽(-269~600℃)而成为宇航工业的理想材料。航空航天领域使用钛合金占据了钛合金50%的市场份额;钛合金具有良好的耐腐蚀性,是航海、石油、化工、医药等行业的理想材料;钛合金因其形状记忆功能(如Ti-N,iTi-Ni-Fe等),可用于卫星和飞船的天线、宇航系统的油管密封和其它自控装置;钛合金的无磁性,钛铌合金的超导性,钛铁、钛美合金的储氢能力使其在高技术和尖端科学方面也发挥着重要作用。[1]钛合金的组织和性能对变形时的加热工艺参数比较敏感,因而其适合的加热工艺参数范围较狭
2、窄,用一般的锻造方法难以获得理想的微观组织和性能。研究钛合金在锻造成形过程中的变形规律,对获得理想的锻件有重要作用。根据预定的工艺参数,模拟产品的热成形过程并预报其微观组织和力学性能,是生产技术中要解决的主要问题。2 钛合金塑性成形有限元法钛合金锻造成形时伴随着很大的材料流动,小变形理论误差很大,弹性变形占整体变形的比例很小,所以进行锻造成形计算机模拟时不但可以采用大变形弹塑性有限元法,还常常采用刚塑性有限元法和刚粘塑性有限元法。刚塑性有限元法不考虑弹性变形,对于大变形体积成形工艺计算速度快,很受欢迎。刚粘塑性有限元法同样也不考虑弹性变形,但考虑应变率效应,适合热加工成形和超塑性成形。在钛合金
3、塑性变形过程中,塑性变形功、工件和模具接触面上的摩擦功不断地转化为热量,使得工件和模具内的温度场发生变化;温度场的变化又反过来影响工件的变形。因此,在对锻造成形过程进行工艺模拟时,就需要在变形和温度场之间进行耦合分析,同时考虑工件的塑性变形及工件、模具、环境三者之间的热交换。对于钛合金体积成形过程,一般采用刚塑性或刚粘塑性有限元法进行模拟。利用钛合金的塑性性质对其进行加工使其满足需要的过程存在几何非线性、物理非线性和边界非线性。对钛合金塑性成形问题进行精确求解非常困难,甚至是不可能的。目前,应用更多的是近似方法,如主应力法、滑移线法、上下限法等,在这些近似研究方法中,需要做出较多的简化和假设,
4、以便使问题能够求解,从而导致所得到的不少结果和实际情况相去甚远,无法满足理论分析和工程实际的需要。[2]随着计算机技术和塑性力学理论的发展,塑性有限元法已经成为模拟分析塑性成形过程的有力工具,也成为应用最广泛的数值分析方法。目前研究的固体型塑性有限元法,包括小变形和大变形弹塑性有限元法。弹塑性有限元法最早是由Marcal等提出的,它同时考虑弹性变形和塑性变形,弹性区采用Hook定律,塑性区采用Ruess方程和Mises屈服准则。采用弹塑性有限元法分析金属塑性成形过程,不仅能按照变形路径得到塑性区的变化,而且能够有效地处理卸载问题,计算残余应力和残余应变,从而可以进行回弹计算以及缺陷预测分析。但
5、是,弹塑性有限元法由于要考虑变形历史的相关性,须采用增量加载,在每一步增量加载中,都须做弹性计算来判断原来处于弹性区的单元是否已经进入屈服,对进入屈服后的单元就要采用弹塑性本构关系,从而改变单元刚度矩阵。为了保证精度和解的收敛性,每次加载不能使很多单元同时屈服,这就使得每次计算时的变形增量不能太大,所以对大变形问题计算时间较长,效率较低。另一类是流动型塑性有限元法(FlowFormula-tion),包括刚塑性有限元法和刚粘塑性有限元法。Kobayashi等针对弹塑性有限元法存在的问题提出了所谓“矩阵法”的刚塑性有限元法,用来分析金属塑性成形问题。刚塑性有限元法每次的增长步长比弹塑性有限元法的
6、大一些,但在每一增量步长比弹塑性有限元法的大一些,但在每一增量步中,材料仍然处于小变形状态下,由于下一次的计算是在累加以前变形后的几何形状及硬化基础上进行的,故刚塑性有限元法具有应力计算无累计误差,计算时间短,能适应多种材料硬化模型,动态边境处理较容易等优点。[3]但由于刚塑性有限元法所采用的模型忽略了弹性变形部分,故不能计算回弹量、残余应力和残余应变,较适合于分析体积成形问题,其分析结果可以对体积成形过程提供详细的解释。刚粘塑性有限元法与刚塑性有限元法的区别仅在于它们所采用的本构关系不同。刚粘塑性有限元法在求解方式上与弹性有限元法有着明显的区别。弹性有限元法以给定的边界外力和边界位移为基础,
7、求解变量是单元的节点位移。因应力应变关系满足虎克定律,所得矩阵方程组为线性方程组,可以直接求解。刚粘塑性有限元法是以假设的满足速度边界条件速度场为基础,求解变量是单元节点的速度增量。由于塑性变形具有材料及几何双重非线性,离散化后所得矩阵方程组为非线性方程组,需迭代求解,因此计算量非常大。尤其在进行非稳态分析时,为保证计算精度,增量步长不能太大,通常取总压下量的1%作为增量步长。在接触边界发生较大变
