5083鋁合金力學性能及超塑性成形數(shù)值模擬與實驗研究.pdf

1、隨著環(huán)境污染和能源短缺問題的日益尖銳,各大交通運輸工具制造商都加快對交通工具輕量化的研究與開發(fā),而鋁合金作為飛機、航天器以及汽車輕量化的理想材料,已成為當前航空航天工業(yè)、汽車工業(yè)開發(fā)研究的熱點,但其常溫下難以加工成形,制約了鋁合金的應用。而在超塑性狀態(tài)下成形是目前解決鋁合金成形最為有效的方法之一。為此,本文開展了鋁合金力學性能與超塑性成形工藝的研究。首先,采用恒應變速率單向拉伸法,研究了材料在不同溫度、不同應變速率下的塑性、超塑性性能,

2、確定了材料最佳成形參數(shù),并建立了隨溫度變化的本構模型；其后,進行了超塑脹形有限元模擬,改進了氣壓加載方式,分析了單元類型、摩擦對模擬結果的影響；同時,首次模擬了超塑性差溫拉深,詳細研究了毛坯幾何形狀、壓邊間隙、溫度差、摩擦系數(shù)對板料差溫拉深性能的影響；最后,在模擬的基礎上設計了三套實驗模具及成形工藝,分別對AIRBUS支架件進行脹形、差溫拉深及恒溫拉深實驗,并將實驗結果分別與模擬結果比較。
　　 通過恒應變速率單向拉伸實驗,首次

3、研究了AA5083合金在溫度為100～535℃、應變速率為0.013～0.00005s-1范圍內(nèi)的力學性能,獲得最大延伸率為525℃、0.0002s-1應變速率下的397％。結果表明:200℃溫度以下,AA5083材料延伸率較低,且隨著應變速率的提高而減小,無超塑性；250℃溫度以上,AA5083合金呈現(xiàn)超塑性,各試樣延伸率隨溫度的升高而提高,并具有應變速率敏感性。各拉伸曲線流變應力隨溫度的升高而減小、隨應變速率的增大而增大:基本呈現(xiàn)應

4、變硬化、應變硬化與應變軟化動態(tài)平衡的穩(wěn)態(tài)流變和應變軟化三種現(xiàn)象,各種現(xiàn)象表現(xiàn)程度隨溫度、應變速率不同而相異。分析了應變、應變速率對應變速率敏感性指數(shù)的影響。采用Hollomon經(jīng)驗公式擬合真應力.應變曲線中的應變硬化階段,測定了n值。建立了AA5083合金在100～525℃溫度、0.013～0.008s-1應變速率范圍內(nèi)修正的粘塑性本構模型,結果表明:該模型的預測值與實驗值吻合良好。
　　 改進了MARC軟件默認的壓力加載算法,

5、對AA5083支架件進行了超塑性脹形模擬。結果表明:零件的幾何模型對材料成形的厚度分布影響顯著,設計零件時應盡量避免小圓角半徑、大深寬比及形狀突變；優(yōu)化的加載方式控制了變形集中區(qū)域的變形速度,改善了板料的成形性能,厚度分布更均勻。分析討論了實體單元、殼單元及膜單元模擬,對板料超塑脹形厚度分布、壓力.時間曲線的影響。結果表明:殼單元最適合模擬板料成形。此外,改善超塑性脹形中的潤滑條件,亦可提高板料流動性能。
　　 改變了AA508

6、3支架工件模型及模具,采用二次開發(fā)MARC軟件,首次成功模擬了該材料超塑性差溫拉深。分析了零件的拉深比,表明應用常規(guī)拉深無法一次成形該工件。而采用凹模為525℃、凸模為150℃差溫拉深,1.05～1.1倍板厚剛性壓邊間隙、優(yōu)化的毛坯及0.1mm/s的拉深速度,成形了厚度分布均勻、高度滿足要求、減薄率明顯低于超塑性脹形的工件。分析了壓邊間隙對工件材料流動、壓邊力及拉深力的影響；并且研究了凸、凹模溫度差、摩擦對提高拉深性能的重要作用。

7、>　　 在超塑性脹形及差溫拉深模擬的基礎上,對AIRBUS支架件進行了實驗研究。采用脹形模擬獲得的優(yōu)化及默認加載曲線,控制實驗中氣體壓力加載。結果表明:默認的加載曲線,壓力加載速度過快,致使工件變形速度太大,厚度減薄嚴重而破裂；優(yōu)化的加載曲線,成功成形了AA5083支架件,且其模擬與實驗結果吻合良好,但工件整體變薄嚴重,厚度分布不均勻。依據(jù)模擬獲得的參數(shù),進行了超塑性差溫拉深實驗,結果表明:差溫拉深工藝、形狀優(yōu)化的毛坯、無凸緣及形狀突