面向高性能塑性成形的多尺度建模仿真研究进展

塑性成形是利用材料的塑性产生变形从而形成一定形状并获得一定性能的工艺方法,是零部件制造不可或缺的重要途径。随着我国航空航天等领域高端装备技术的发展,其关键零部件的高精度高性能要求,迫切需要发展可计算、可设计的高性能塑性成形理论与技术,多尺度建模仿真是实现该需求的关键手段。然而,塑性成形涉及材料非线性、几何非线性和工艺非线性等复杂问题,以及力热加载、特种能场加载、组织性能演化等复杂过程,给多尺度建模仿真提出了挑战。从分析高性能塑性成形的科学问题出发,通过梳理材料多尺度变形响应特征,讨论了塑性成形多尺度建模面临的挑战。给出了近年来多尺度耦合建模仿真方面的新进展,及其在塑性成形过程多尺度响应机理分析及面向高性能的成形工艺设计中的应用,并对其发展趋势进行了展望。

集成计算材料工程在精确塑性成形中的应用现状与发展趋势

集成计算材料工程通过模型化与计算实现对材料制备、加工和服役等过程的定量描述,成为实现力、热、电、磁、声场等单一/耦合外场作用下高性能构件精确塑性成形先进而有效的研究手段,近年来在精确塑性成形领域得到越来越广泛的应用。对集成计算材料工程在塑性成形过程多尺度建模、起皱和破裂两类缺陷预测方面的相关研究现状、主要进展及未来发展趋势进行了综述。首先论述了宏观、细观和微观三个尺度的模型在精确塑性成形领域中的应用现状,并分析了不同尺度模型间信息的传递方式;在此基础上讨论了利用集成计算材料工程研究制约精确塑性成形的起皱和破裂两类典型缺陷的预测方法,对比分析了目前主要的失稳起皱与损伤断裂模型的准确性;最后对集成计算材料工程在精确塑性成形中的未来发展趋势进行了展望。

钛合金薄壁筒形件热强旋宏微观成形规律研究进展

钛合金薄壁筒形件是航空航天等重要领域迫切需要的高性能轻量化构件,强力旋压成形技术是实现该类构件整体化高性能精确成形的一种有效途径。然而,钛合金筒形件强旋是多场耦合、多参数作用下的多道次热成形过程,变形过程中极易产生隆起、喇叭口和破裂等宏观缺陷,且会诱发复杂的组织演化,改变组织形态与特征参数,进而影响筒形件的力学性能。为此,国内外学者针对钛合金薄壁筒形件热强旋宏微观成形规律开展了大量研究。本文从旋压变形规律与宏观缺陷的控制、强力旋压损伤破裂预测、钛合金筒形件热强旋的微观组织性能演变特征等方面综述了相关研究工作,最后总结了钛合金筒形件热强旋成形仍面临的关键难题与挑战。本文对认识和发展钛合金薄壁筒形件精确成形成性一体化制造技术具有重要指导意义和参考价值。

旋压成形损伤断裂缺陷预测研究进展

薄壁构件旋压成形中经常出现构件破裂的现象,给生产制造带来了巨大的经济损失。主要综述了旋压成形中破裂预测的研究进展及破裂预测的损伤模型的发展概况,并结合笔者的研究经历将不同损伤模型耦合到各向异性Barlat89屈服准则中,通过半隐式图形返回算法进行数值化,来实现应力、应变和损伤值等变量的更新。然后将不同断裂模型应用于各向异性2219-O铝合金剪切旋压破裂的预测,获得了不同断裂模型预测损伤值偏离其阈值不同程度的原因。最后展望了旋压成形破裂预测中仍然存在的难题和挑战。

轻量化拼焊板构件塑性成形研究进展

拼焊板构件因容易实现轻量化、低成本、短周期成形制造而被广泛应用于飞机、汽车工业中,但在这类构件的塑性成形中,焊缝引入的材料、几何、边界条件非线性显著增加了成形复杂性,导致成形质量及成形极限下降,尤其是在具有强烈不均匀变形特征的弯曲、旋压等局部加载塑性成形中表现得更加明显,极大制约了轻量化拼焊板构件的精确塑性成形。为此,国内外学者在拼焊板构件弯曲及旋压变形机理与成形规律方面开展了大量研究。从焊接材料不均匀力学行为表征、拼焊板构件弯曲及旋压成形有限元建模、焊缝特征对变形行为影响及工艺设计等方面综述了相关研究进展,最后提出了拼焊板构件塑性成形仍面临的关键难题与挑战,对认识和发展轻量化拼焊板构件塑性成形具有重要指导意义和参考价值。

铝合金大型薄壁构件电磁渐进成形数值模拟

为精确控制铝合金大型薄壁构件电磁渐进成形质量,基于LS-DYNA EM平台建立了铝合金大型薄壁构件双线圈电磁渐进成形三维有限元模型,通过数值模拟研究了双线圈放电时板料的动态变形行为,并探究了自由拉胀成形阶段放电电压、放电间隙、放电路径和偏转角度对成形质量的影响规律。结果表明:应力波由两线圈作用区域开始以近圆的形式向外传播,在板料中心处汇聚后沿双线圈中心连线垂直方向继续传播,直至动能耗尽;从双线圈作用区域到板料中心,等效应变逐渐增大,随着应力波不断传播,传播路径上单元的应变速率逐渐减小。采用小间隙、“低+高”的放电电压组合及较低的线圈偏转角度有利于提高成形深度及成形均匀性;相较于顺序放电,间隔放电可以提高成形深度,但成形均匀性稍有降低。通过得到的8道次间隔放电方案能获得最大的成形深度和最佳成形均匀性,最大平均成形深度达到47.4 mm,最小成形深度标准差约为4.01。

带内筋复杂薄壁件旋压成形研究进展

结构轻量化和大型整体化是高性能复杂薄壁构件精确塑性成形的永恒追求,带内筋复杂薄壁构件作为典型的高性能复杂薄壁构件,其成形制造方式一直被学者所关注。旋压成形作为先进的精确塑性成形工艺,有望实现此类构件的整体制造。为此,对带内筋复杂薄壁构件旋压成形的国内外研究进展进行归纳,主要涉及带内筋曲母线构件的有模外旋成形和无模内旋成形,以及带纵向内筋、内齿、横向内筋和纵横内筋的筒形构件旋压成形,包括复合旋压、滚珠旋压、错距旋压等成形方式,对成形特征、工艺参数的影响以及旋压成形规律等进行总结,为带内筋复杂薄壁构件的旋压成形及工艺优化提供指导。

铸态金铂合金的成分偏析调控研究

金铂合金以高密度、高硬度、良好的导电导热性能及超低剩磁矩和磁化率在航空领域中作为验证质量得到了广泛应用,但金铂合金制备过程中存在着极为严重的成分偏析现象。本文主要针对此问题开展研究工作,采用高频感应炉和喷铸两种工艺制备金铂合金样品,通过多道次轧制并结合固溶工艺研究金铂合金的成分偏析的分布状态,结果表明,高频感应炉制备的金铂合金成分偏析较为严重,喷铸工艺成功实现对金铂合金成分偏析的调控,通过EDS能谱分析发现喷铸工艺较感应熔炼工艺可将成分偏差由20%控制为1%。随后利用Anasys fluent计算模拟得到金铂合金两种不同制备工艺下凝固过程中的温度场、流场及溶质场分布。

热处理对TC4-DT/TC21钛合金线性摩擦焊接头组织和性能的影响

为进一步提升TC4-DT/TC21线性摩擦焊接头的综合力学性能,对比分析了焊接接头一次退火和双重退火对微观组织和力学性能的影响。结果表明,一次退火后,接头各个区域的组织特征与退火前差异较小,焊缝中心区为细小的再结晶晶粒及针状α相,热力影响区呈现沿振荡方向拉长的流线组织。但双重退火后,接头组织发生明显变化,焊缝中心区出现晶粒长大、片层α相粗化以及晶界α相不连续等现象。热力影响区内α相片层粗化且片层间距增加,同时在粗化的片层α相周围析出许多长大的短棒状α相。母材区内片层α相发生粗化且有次生相析出。性能对比显示双重退火明显优于一次退火,其中强度和冲击功分别提升了91MPa和24.4J,塑性仍保持较高水平。

航天大型薄壁回转曲面构件成形制造技术的发展与挑战

薄壁曲面构件是广泛应用于航空航天等高端运载装备的关键构件。大型薄壁曲面构件成形制造技术是新一代航空航天飞行器、战略导弹和船舶等尖端装备向大型化、轻量化、高性能化、长寿命和高可靠性方向发展的迫切需要。然而,这类构件的壁薄、直径等尺寸大、曲率变化、大小尺寸极端结合,且材料轻质高强、性能要求高等,使其制造难度大。首先概述了航天领域大型薄壁回转曲面构件及其制造技术的发展历程与类型,据此针对不同类型的大型薄壁回转曲面构件制造技术综述了其应用与研究进展,然后对比分析了各制造工艺的技术特色、构件性能与发展潜力,探讨了大型薄壁回转曲面构件制造技术的未来发展趋势与面临的挑战。

IMI834钛合金等温和非等温热处理过程中片层α相析出行为的定量表征

为了揭示冷却速度对片层α相析出的影响机制,采用试验分析方法对IMI834钛合金在等温和非等温热处理过程中片层α相的析出行为进行定量表征。通过热膨胀试验获得不同冷却速度下片层α相的临界析出温度。基于金相显微镜和电子探针分析以及数据拟合方法,建立片层α相的平均宽度、体积分数以及α和β相内的溶质浓度随温度和冷却速度的定量演化模型。两种条件下的片层α相析出行为对比发现:非等温冷却过程中片层α相的平均宽度和体积分数均小于同温度下等温相变过程中片层α相的平均宽度和体积分数。随着冷却速度的增加,片层α相的宽度和体积分数显著减小,临界析出温度降低。发生上述现象的原因是溶质元素Al、Mo和Nb的扩散速度随冷却速度增加而减小。