多物理场耦合粉末成形中电热聚焦效应

为研究多物理场耦合粉末成形技术的低温超快速致密化成形机理,采用多物理场耦合粉末成形技术制备了微型铜齿轮。对铜粉末在600℃烧结过程的动力学曲线进行了分析,观察铜粉末分别在300、500和600℃烧结时试样断口的微观形貌,同时针对铜粉末烧结过程中的电流密度分布和温度场分布进行了数值模拟。研究发现,多物理场耦合粉末成形技术快速升温过程中,电场和热场在粉末颗粒中分布极不均匀,粉末颗粒接触处的电流密度和温度均远远高于颗粒其它位置的电流密度和温度,为此首次提出了"电热聚焦效应"。结果表明,电场和热场耦合并在颗粒接触点处高度聚焦产生的电热聚焦效应是多物理场耦合粉末成形过程中粉末材料实现低温超快速致密化成形的重要原因。

低温沉积成形与电纺丝成形多尺度组织工程支架的多物理场耦合分析和试验研究

为了弥补快速成形技术(Rapid prototyping,RP)只能成形带有直通孔的组织工程支架,提出采用低温沉积成形(Low-temperature deposition manufacturing,LDM)和电纺丝合成形具有多尺度孔隙结构的支架。为模拟成形的过程,将水平集合法(Level set method,LSM)应用于液固相变过程中追踪自由边界的研究,结合传热理论和不可压缩Navier-Stokes(N-S)方程的基础,引入凝固干扰项描述凝固对流动变形的影响,建立LDM材料凝固和变形的数学模型,模拟液体材料的凝固和同时产生变形这一多物理场耦合问题,并使用空间静电场本构方程分析'针对板'式电场结构的电场分布,通过高速CCD记录LDM的变形和凝固过程及电纺丝的鞭动过程,数值模拟结果与试验结果较为吻合,为确定成形环境温度、成形速度、电纺丝接收面积和接收距离等工艺参数提供了理论指导,试验结果证明所采用的理论方法有效、可靠。

多场耦合下的粉末成形固结理论及关键技术

为了探索高致密、高性能、高精度、短流程和低成本的粉末成形固结技术,分别对温度场与应力场和电磁场、温度场与应力场等不同场耦合下的粉末成形固结理论及关键技术进行了研究.利用研制出的侧压力直接动态测量装置,揭示了温度场与应力场耦合作用下的铁基粉末致密化机理,并在此基础上,实现了对温度场与应力场耦合下的粉末成形过程的数值模拟,确立了温度场与应力场耦合下铁基粉末的成形固结工艺.同时,研制出了一套电场、磁场、温度场与应力场多场耦合的粉末成形固结设备,确立了铁基、WC基等粉末在多场耦合作用下的成形与烧结工艺,揭示了多场耦合成形的烧结机理,实现了对电磁场、应力场耦合下的温度场的数值模拟.

基于类等势场的粉末高温合金盘件预成形设计及有限元模拟

为了提高产品的质量和工作效率并降低生产成本,需对预制坯进行合理的预成形设计。根据能量最小原理和最小阻力原理,利用塑性变形过程中坯料的流动规律与静电场等势线分布类似这一特性,提出一种能够进行预成形设计的新方法—类等势场法,并采用该方法对粉末高温合金盘件进行预成形设计,从中优选出6组预成形形状,并利用商用有限元软件MSC/SuperForm对上述预制坯的等温成形过程进行数值模拟,得到了6组粉末高温合金盘件终锻结束时各个部分的等效应变分布以及预锻和终锻的变形程度分配。通过对盘件轮毂、辐板和轮缘三部位以及整体盘件最大等效应变和最小等效应变的比较与分析,以及预锻变形量和终锻变形量的比较,并参考模具法向和切向的受载情况,认为选择3号预锻模为最佳方案。结果表明,该方法克服了传统方法精度低、耗时和耗力等缺点,其结果可靠。

基于类等势场的粉末高温合金盘件等温锻造预成形设计

以体积成形工艺为例提出了一种新的预成形设计方法。通过静电场模拟选取适当的等势线作为预锻模型腔的基本形状,将选取的预成形形状通过频谱分析进行光顺处理,可以确定出六组预锻模型腔最终轮廓形状。利用有限元软件对粉末高温合金盘件两工步(预锻+终锻)等温锻造过程进行模拟,进一步分析了相关场变量的分布,优选出预锻模型腔形状。分析表明,基于类等势场法的预成形设计和基于频谱分析的曲线曲面光顺处理方法适合体积成形工艺的预制坯设计。

基于类等势场的粉末高温合金盘件预成形设计

根据能量最小原理和最小阻力原理,利用塑性变形过程中坯料的流动规律与静电场等势线分布类似这一特性,提出一种能够进行预成形设计的新方法——类等势场法,并采用该方法对粉末高温合金盘件进行预成形设计,从中优选出6组预成形形状,利用MSC/Super Form商用有限元软件对上述预制坯的等温成形过程进行了数值模拟,得到了6组粉末高温合金盘件在预锻到终锻过程中的应力率参数和应变率梯度.通过对盘件轮毂、辐板和轮缘3个部位6个典型单元体应力率参数g的比较与分析,以及整体盘件应变率梯度的比较,并参考预锻变形量和终锻变形量,认为选择3号预锻模为最佳方案.

电驱动总成多场耦合数据驱动建模及瞬态温度场实时在线预测

开发电驱动总成(EDA)轻量级实时在线温度精确预测方法,对于提前有效监测其未来异常温度状态,确保车辆行驶安全至关重要。基于多物理场耦合与数据驱动融合建模,提出了EDA瞬态温度场在线预测方法。首先,建立EDA电-磁-热-流多物理场耦合有限元模型,并通过台架试验验证该模型准确性;其次,采用有限元模型生成了几种常规工况下的瞬态温度场数据集,以用于后续代理模型的测试验证;然后,结合有限元模型获取简化的热网络拓扑和图卷积神经网络,提出一种模型与数据双轮驱动建模的EDA时空关系图卷积神经网络预测模型;最后,通过不同工况下的离线仿真对比分析和台架在线测试,对所提出的温度预测模型进行有效性和实时性验证。实测离线数据集上的分析结果表明:全局预测误差和平均绝对误差分别为4.4和1.25℃,相较于常规时序图卷积神经网络和门控递归单元方法分别降低17.3%、28.1%和5.3%、29.3%。台架在线预测结果也与真实测量值十分接近,其全局预测误差和平均绝对误差为3.99和0.66℃。总之,所提出的实时在线温度预测方法可以准确预测EDA真实温度变化。

PBX粉末成形的数值模拟研究

运用有限元软件MSC.Marc,采用基于更新拉各朗日方法的热-机耦合分析法对高聚物黏结炸药(PBX)粉末温压成形过程进行了数值模拟。获得了粉末体几何形变、应力场及相对密度分布等相关数据,其大小和实验测得数据在同一个数量级。结果表明:随着成形压力的增加,PBX内应力,粉末位移以及相对密度都呈增大的趋势,粉末在压制过程中的流动性规律为其实际成形中工艺参数的改善和优化提供了理论依据。

粉末短流程成形固结技术的研究及展望

针对粉末冶金行业最新发展的几种短流程成形固结新技术,结合华南理工大学近十多年来在粉末材料-工艺-装备-零件一体化方面开展的研究,重点阐述了粉末冶金温压成形、高速压制成形、喷射成形、多场作用下粉末成形与烧结一体化技术的研究进展及应用情况。指出在粉末冶金成形固结研究领域,合理拓展现有粉末冶金技术规范的空间,有望给传统粉末冶金成形固结技术注入新的活力。粉末冶金成形固结新技术的不断出现,必将促进先进制造业和高技术产业的快速发展,也必将给材料工程和制造业带来更加光明的前景。

体积成形过程物理模拟技术的研究及应用

本文介绍了体积成形整体物理模拟技术的实施方案和主要技术要点 ,以及将该项技术用于模拟研究曲轴等典型锻件的成形过程 ,测定了变形力、错移力和关键部位的应变分布 ,提出了优化工艺设计。

基于静电场模拟的FGH96合金盘件预成形设计

FGH96合金是高推重比航空发动机涡轮盘首选材料,由于其变形抗力大,成形困难且难以控制,因而选择一种恰当的预成形方法就显得尤为重要。以某航空发动机涡轮盘为例,提出一种新的基于静电场模拟的预成形设计方法,并通过几何变换的方法得到实际预制坯的外形尺寸,因而更加简洁、直观和易于实现。对粉末高温合金盘件两工步(预锻+终锻)及无预锻工步等温锻造过程的数值模拟结果表明:采用三维电场设计的预锻模预锻后成形的锻件,其材料分配与流动更趋合理,且成形所需的载荷更低;基于三维静电场模拟的预成形设计方法更适合体积成形工艺的预成形设计。

铝合金板阵列微结构零件电磁冲击液压成形研究

目的解决室温条件下因铝合金塑性流动不均而导致的零件开裂和尺寸偏差等问题。方法利用高速冲击提高材料成形极限以及流体均匀载荷精确控形的优势,提出了电磁冲击液压工艺并实现了铝合金阵列结构零件的成形,采用实验手段研究了放电电压和放电次数对零件贴模精度和厚度分布的影响。结果随着放电电压的增大,零件的成形深度增大。在单次放电8kV下,板料最大成形深度达到模具深度的97%,连续3次放电8kV后,零件通道填充率达到89.7%。建立了与物理实验模型一致的电磁-流体-结构的多物理场耦合仿真模型,发现冲击液体对板料施加的瞬态压强超过200MPa,板料最大变形速度达到40.5m/s。模拟得到的板料变形轮廓与实验结果一致,证明了多物理场耦合仿真模型的准确性。结论电磁冲击液压成形是一种新型的高速成形方法,能够实现铝合金阵列微结构零件的精确制造,为提高复杂薄壁难变形构件的成形性能和精度提供了新的技术手段。

金属激光熔化沉积过程双时间步长法多尺度物理耦合场的数值模拟

使用激光金属熔化沉积成形方法制备金属零件时,如果能够提出一种方法来明确宏观工艺参数与成形件内部组织的关系,控制成形件内部组织演变,会提升成形件的力学性能。针对此类问题,本文通过数值模拟与工艺试验相结合的方法,使用双时间步长方法建立多尺度耦合多物理场模型,研究宏观工艺参数对微观组织演变的影响因素。并使用相同的工艺参数对数值模拟模型进行比对验证,得到了相对准确的结果,对激光金属熔化沉积成形过程的控形控性具有指导意义。

轻合金成形领域科学技术发展研究

铝、镁、钛等轻金属材料,由于具有比强度与比刚度高等特性,在汽车、轨道交通和航空航天等制造领域显示出越来越广泛的应用前景。研究与发展轻合金材料先进成形技术,对实现轻量化零构件高质量、低成本、短周期制造,缓解由于交通运输带来的能源、环保压力以及节能减排具有重大的意义。轻合金成形技术与科学,已经成为我国国民经济、国防建设与科学技术发展的关键学科领域之一,而轻合金高性能精确成形制造是既有挑战性又充满机遇的研究与发展前沿领域。评述轻合金成形技术领域国内外研究现状、存在问题与发展趋势,分析并提出该领域的研究前沿,给出我国轻合金凝固成形、塑性成形、建模仿真与优化的重点发展方向的展望与建议。

有限体积法仿真金属塑性成形的基本理论

基于有限体积和塑性成形基本理论 ,推导出金属塑性成形的有限体积质量方程、动量方程、能量方程等控制方程 ,给出有限体积单元的速度分量和温度关于时间的微分方程 ,并提出了求解成形体的速度、温度、应变速率和应力等物理场量的计算方法 .

基于FEM的电磁缩径耦合场数值模拟

对管件电磁缩径的磁场力和动态变形进行了耦合场FEM数值模拟。应用ANSYS计算作用在管件上的瞬态磁场力,然后以该力为边界条件模拟工件高速变形,实现管件变形与磁场力之间的耦合。研究结果表明,作用于工件的磁场力及其径向变形分布不均匀;工件变形可以间接说明磁感应强度和磁场力的分布;工件变形较大时,全耦合模拟结果较半耦合模拟更合理,而变形较小时,二者模拟结果相近。管件变形的模拟值与测量结果吻合较好。

钢板激光多次扫描弯曲成形的数值模拟

利用有限元分析软件MSC.Marc,建立了中厚钢板激光多次扫描弯曲成形过程的三维弹塑性非线性热力耦合有限元模型.计算了整个激光弯曲成形过程中温度场、应力场和位移场的分布.实时测量了板材自由端一点位移和下表面三点温度随时间的变化.计算结果和实验结果吻合较好.用建立的模型分析了多次扫描过程中随扫描次数增加弯曲增量逐渐减小的原因.为激光弯曲成形工艺的实际应用奠定了理论基础.

粉末熔池耦合活性TIG焊接方法

提出了一种新型活性焊接方法——粉末熔池耦合活性TIG焊(Powder pool coupled activating TIG welding,PPCATIG)。该方法采用双层气体进行焊接,内层利用惰性气体保护钨极,外层通过自动送粉装置将活性剂粉末随保护气体送入电弧-熔池区域,增加熔深,提高焊接效率,实现机械化自动化焊接。针对SUS304不锈钢进行了直流正接PPCA-TIG表面熔深,通过与传统TIG焊对比,研究了SiO_2活性剂对电弧形态、焊缝成形、组织和力学性能的影响。结果表明:SiO_2能使电弧等离子体收缩、熔池金属流态改变,并且焊缝熔深能达到传统TIG焊的3倍以上,焊接效率明显提高。焊缝组织主要为奥氏体和铁素体,铁素体形态以骨架状为主。焊缝抗拉强度略低于母材,但相比传统TIG焊,焊缝屈服强度略有提高,其焊缝低温冲击韧性达到了传统TIG焊的96.8%,表现出了良好的力学性能。同时,采用该方法可有效避免活性剂粉末对钨极的污染。

电磁成形技术在钛合金板材成形中的应用

钛合金是航空航天领域主要的轻质结构材料,强度高,但不易成形且回弹大,而电磁成形技术的发展为钛合金零件的精密高效成形提供了新的有效途径。从高速增塑、成形工艺、数值仿真3个方面综述了电磁成形技术在钛合金板材成形的应用研究情况,并结合笔者的研究经历对钛合金电磁成形中存在的问题进行了简要分析。在此基础上,着重综述了电磁成形技术下材料的成形性能与变形机理,进而综述了钛合金电磁胀形、电磁翻边工艺研究进展,并介绍了钛合金电磁成形多物理场耦合仿真技术,最后对未来钛合金板材电磁成形技术的发展进行了展望。电磁成形技术可以提高钛合金板材的成形性能;厚度接近集肤深度的高导电性低强度板材是优质的驱动片。为了进一步促进电磁成形技术在钛合金板材成形中的应用,需要开发更高强度的磁体线圈以及更优的驱动方式。

梭形纹电解加工工艺方法研究

文章以一种梭形纹电解加工为对象,在两相流场基础上添加电场及温度场等物理场,建立一种梭形纹电解加工的多物理场耦合模型,探究在不同进口压力下,电解液的流速、温度、电导率和加工间隙内气泡率沿流程方向的变化趋势,以及工件阳极表面梭形纹凸台的成型精度和形貌的变化规律。仿真结果表明:当入口处的进口压力降低时,间隙内电解液的流速也随之降低,电导率降低,加工间隙相应减小,同时梭形纹的成型精度降低。文章在仿真分析的基础上,进一步开展了梭形纹电解加工试验研究,并在304不锈钢表面加工出梭形纹凸台结构。试验表明:在0.6 MPa进口压力下,梭形纹的成型精度和形貌较好,与仿真结果较吻合。