鋁合金大型復(fù)雜構(gòu)件熱處理過(guò)程的多場(chǎng)耦合模型與變形預(yù)報(bào).pdf

1、Al-Si系是鑄造鋁合金中用途最廣的合金系,其中ZL114A合金以其優(yōu)良的鑄造性能、良好的耐腐蝕性及較高的比強(qiáng)度,廣泛應(yīng)用在航空航天及汽車(chē)產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。Al-Cu系中的ZL205A合金是另外一種被廣泛應(yīng)用在航空航天等領(lǐng)域的鑄造鋁合金。航空航天等尖端技術(shù)的快速發(fā)展使鑄造鋁合金構(gòu)件的大型化、整體化及復(fù)雜化成為必然趨勢(shì),熱處理作為鑄造鋁合金大型復(fù)雜構(gòu)件的最后一道熱加工工序就顯得尤為重要。預(yù)測(cè)和控制構(gòu)件的淬火殘余應(yīng)力及淬火變形一直是航空航天領(lǐng)域迫

2、切需要解決的問(wèn)題。影響鋁合金大型復(fù)雜構(gòu)件淬火殘余應(yīng)力及變形的因素主要有構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和尺寸大小,構(gòu)件材料的熱物性能和力學(xué)性能,淬火介質(zhì)的冷卻性能,構(gòu)件進(jìn)入介質(zhì)的方式,邊界條件及人為因素等。但目前針對(duì)大型復(fù)雜構(gòu)件的淬火變形問(wèn)題尚未有系統(tǒng)和全面的研究。
　　本文首先通過(guò)差示掃描量熱分析和金相分析的方法,確定了ZL114A和ZL205A合金的固溶溫度,分別為535-550℃和540-550℃。通過(guò)熱模擬實(shí)驗(yàn)得到了兩種合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

3、。應(yīng)變速率不變時(shí),應(yīng)力隨著變形溫度的升高而降低。當(dāng)溫度區(qū)間為300-500℃時(shí),溫度不變時(shí),應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的升高而增加;但當(dāng)溫度小于300℃時(shí),應(yīng)變速率對(duì)應(yīng)力的影響不明顯。建立了溫度為350-500℃時(shí)這兩種合金的本構(gòu)方程。本構(gòu)方程計(jì)算的應(yīng)力和實(shí)驗(yàn)值非常吻合。將變量SYIELD,HARD(1),HARD(2)和HARD(3)的表達(dá)式寫(xiě)入ABAQUS子程序UHARD中,本構(gòu)模型在ABAQUS平臺(tái)上得以實(shí)現(xiàn)。
　　基于淬火介質(zhì)冷卻特

4、性曲線(xiàn),采用反傳熱法求得了介質(zhì)的動(dòng)態(tài)換熱系數(shù)。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬計(jì)算值,驗(yàn)證了介質(zhì)動(dòng)態(tài)換熱系數(shù)的精確性。介質(zhì)換熱系數(shù)是溫度的函數(shù),在整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)峰值。溫度對(duì)水和5％UCON-A溶液的換熱系數(shù)影響很大,但對(duì)20號(hào)機(jī)械油換熱系數(shù)的影響不明顯。
　　基于FLUENT軟件分別建立了兩類(lèi)淬火槽的介質(zhì)流場(chǎng)模型。隨著入口速度的增大,未置攪拌系統(tǒng)的淬火槽其介質(zhì)流速呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),但曲線(xiàn)峰值沒(méi)有規(guī)律性。對(duì)于置攪拌系統(tǒng)的淬火槽來(lái)說(shuō),導(dǎo)流筒

5、出口圓角過(guò)渡可明顯減小介質(zhì)流速損耗。介質(zhì)流速隨著攪拌器螺旋槳轉(zhuǎn)速的增大而增大,但介質(zhì)流動(dòng)均勻性會(huì)隨之降低。螺旋槳的直徑越大,介質(zhì)流速越大。均流板可用來(lái)調(diào)節(jié)介質(zhì)流速及其流動(dòng)均勻性。在介質(zhì)流場(chǎng)模擬精度得到驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,將FLUENT模擬計(jì)算與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法結(jié)合起來(lái),建立了以螺旋槳的轉(zhuǎn)速、均流板的位置及槽內(nèi)x的坐標(biāo)位置為輸入,以介質(zhì)y向速度為輸出的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值與FLUENT模擬值的平均相對(duì)誤差為4.24%?？芍W(wǎng)絡(luò)具有高精度的預(yù)測(cè)性能,

6、由此成功實(shí)現(xiàn)了流場(chǎng)預(yù)測(cè)模型化向數(shù)字化的轉(zhuǎn)變。
　　基于ABAQUS有限元軟件,根據(jù)鋁合金軸對(duì)稱(chēng)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)其進(jìn)行邊界條件、初始條件的設(shè)置及網(wǎng)格的劃分,建立了軸對(duì)稱(chēng)件熱處理過(guò)程的熱力耦合模型。模擬計(jì)算了軸對(duì)稱(chēng)件加熱、淬火轉(zhuǎn)移及淬火冷卻三個(gè)過(guò)程中的溫度場(chǎng),分析了淬火殘余應(yīng)力的大小。將軸對(duì)稱(chēng)件熱處理后的應(yīng)力場(chǎng)作為拉伸變形初始態(tài),建立了拉伸去應(yīng)力的有限元模型。通過(guò)建立與文獻(xiàn)中三個(gè)鋁合金長(zhǎng)方體塊相同的淬火及淬火后拉伸變形的模型,并與文獻(xiàn)

7、中的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了鋁合金熱處理過(guò)程熱力耦合的模擬精度及模擬結(jié)果的可靠性,也驗(yàn)證了金屬小變形有限元模擬的可行性。
　　對(duì)鋁合金大型復(fù)雜構(gòu)件熱處理過(guò)程進(jìn)行多場(chǎng)耦合模擬計(jì)算,研究了邊界條件、固溶溫度、介質(zhì)及其溫度、構(gòu)件的壁厚、構(gòu)件淬入介質(zhì)所需時(shí)間及介質(zhì)狀態(tài)等因素對(duì)構(gòu)件淬火殘余應(yīng)力和變形的影響規(guī)律。邊界條件是大型構(gòu)件淬火變形的敏感因素。固溶溫度是構(gòu)件淬火變形的不敏感因素。構(gòu)件淬火殘余應(yīng)力隨著水或5%UCON-A溶液溫度的升

8、高而降低。壁厚對(duì)構(gòu)件最大殘余拉應(yīng)力的影響比最大殘余壓應(yīng)力的明顯。構(gòu)件淬入介質(zhì)所需的時(shí)間對(duì)其殘余應(yīng)力和變形均有影響。構(gòu)件x和y向淬火殘余拉應(yīng)力的最大值隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速的增大而增大。螺旋槳轉(zhuǎn)速為0-600rpm時(shí),轉(zhuǎn)速對(duì)構(gòu)件z向殘余拉應(yīng)力最大值的影響不明顯,當(dāng)轉(zhuǎn)速為900rpm時(shí),構(gòu)件z向殘余拉應(yīng)力的最大值較其它幾個(gè)轉(zhuǎn)速下的小。
　　最后驗(yàn)證了實(shí)際大型復(fù)雜鋁合金構(gòu)件淬火變形的模擬結(jié)果。水溫為25℃和80℃時(shí),構(gòu)件1的兩個(gè)特征部位的淬火變