專利名稱：基于有限元模擬的液-固擠壓制件表面裂紋預測方法
技術領域：
本發明屬于塑性成形技術領域，特別涉及一種基于有限元模擬的液-固擠壓制件表面裂紋預測方法。
背景技術：
液-固擠壓也稱為液態浸滲擠壓，是一種制備金屬基復合材料管、棒和型材類制件的塑性加工工藝。該工藝綜合壓力浸滲和液態擠壓成形原理，使注入擠壓筒中的液態合金在壓力作用下滲入增強纖維預制體中，隨后發生壓力下結晶凝固，最后從擠壓成形模口擠出，一次成形出復合材料制件。具有工序少、成本低、制件性能好等特點，應用前景廣泛。在液-固擠壓成形過程中，變形速度與凝固速度的協調是保證成形質量的關鍵，成形質量對于工藝參數的選取尤為敏感，如果控制不當，會導致制件產生諸多缺陷。大量試驗研究表明，表面熱裂和龜裂是最常見的兩種缺陷形式。這些表面裂紋的產生將導致產品的報廢，大大降低了生產效率。通過數值模擬技術預測表面裂紋的產生，研究表面裂紋的演化規律以及與工藝參數之間的內在聯系，保證成形過程穩定進行并獲得優質制件，一直是該領域研究者急于解決的熱點問題。文獻“Construction of extrusion limit diagram for AZ31 magnesium alloyby FE simulation, R. Ye. Lapovok, M. R. Barnett, C. H. J. Davies. Journal of MaterialsProcessing Technology, 2004,146 (3) :408_414” 公開了一種鎂合金熱擠壓成形過程中表面裂紋的預測方法，該方法采用熱-力耦合有限元模擬分析了擠壓過程中的溫度場分布，認為當成形模出口處制件表面溫度超過材料的初熔溫度時，將產生表面熱裂紋。根據此原理，建立了關于成形溫度和擠壓速度的擠壓極限圖。文獻“Analysis of the cracksformation on surface of extruded magnesium rod based on numerical modelingand experimental verification, Hu Hong-jun, Zhang Ding-fei, Pan Fu-sheng, YangMing-bo. Acta Metallurgica Sinica (English Letters), 2009, 22 (5) :353_364”公開了另一種鎂合金熱擠壓成形過程中表面裂紋的預測方法，該方法采用C-L韌性斷裂準則、基于有限元模擬方法預測鎂合金熱擠壓過程中的損傷分布與演化規律，將臨界損傷值看作一材料常數來判斷表面龜裂紋的產生。以上研究僅限于鎂、鋁合金固態熱擠壓成形過程中的表面裂紋預測。而本發明中涉及的液-固擠壓成形工藝的變形特點不同于一般的熱擠壓，成形過程中坯料處于液態、半固態和固態三相共存狀態，并伴隨著大變形連續轉變，變形機制復雜。且金屬基復合材料的成形性能較基體合金差，擠壓參數的選取范圍更為狹窄。目前還沒有應用有限元方法預測金屬基復合材料液-固擠壓過程中表面裂紋的報道。
發明內容
要解決的技術問題為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種基于有限元模擬的液-固擠壓制件表面裂紋預測方法，針對該成形工藝變形機制復雜、表面裂紋形式多樣化的特點，提供了一種定量表征損傷演化、準確預測表面裂紋產生的有限元建模方法。技術方案一種基于有限元模擬的液-固擠壓制件表面裂紋預測方法，其特征在于采用DEF0RM-2D 商業有限元軟件作為計算平臺，將計算過程分為壓力凝固和隨后的擠壓變形兩個工況進行。具體步驟如下步驟I :建立液-固擠壓成形模具和坯料的幾何模型，采用四節點等參單元將建立的幾何模型進行有限元網格劃分； 步驟2 :在DEF0RM-2D 商業有限元軟件的材料庫中自定義模具材料的熱物理性能和力學性能；定義坯料的熱物理性能、高溫及半固態流變應力、損傷模型及其臨界損傷值；所述熱物理性能包括熱容、熱導率和輻射系數，所述的力學性能包括密度和彈性模量；所述臨界損傷值為關于變形溫度和應變速率的函數，通過高溫拉伸試驗測得；步驟3 :設定模具和坯料的初始溫度和邊界條件；所述初始溫度包括模具中沖頭、擠壓筒、成形模和圓柱銷的預熱溫度、液態鎂合金澆注溫度和環境溫度；所述邊界條件包括對稱邊界條件、換熱邊界條件和摩擦邊界條件；所述換熱邊界條件包括模具和坯料與周圍環境的對流、輻射以及坯料與模具之間的熱傳導；步驟4 :定義加載方式，包括定義沖頭為主動件，坯料為變形體；定義加載方式為勻速的沖頭下行實現坯料的擠壓變形；步驟5 :運行有限元模擬程序，計算過程中采用坯料穿透模具內壁的深度超過坯料最小單元邊長的1/3長度作為網格自動重劃的判據，當沖頭行程達到需要的設定值時，計算終止；步驟6 :根據液-固擠壓過程中溫度場和損傷演化的有限元模擬結果，分析得到導致制件表面熱裂紋和龜裂紋產生的擠壓溫度和擠壓速度，具體步驟如下①當坯料被擠出成形模時，如果制件表面溫度Tb高于坯料的固相線溫度Ts時，制件表面將產生熱裂紋，構建關于擠壓溫度和擠壓速度的液-固擠壓成形極限圖，將產生熱裂紋對應的擠壓溫度和擠壓速度參數定義為“熱裂區”，其余的則定義為“無熱裂區”;②在液-固擠壓成形極限圖中的“無熱裂區”參數條件下，如果擠壓制件表面單元損傷值超過坯料的臨界損傷值時，此時的參數為產生龜裂紋的參數，排除該種參數之外的工藝參數即為合理的工藝參數。所述的損傷模型采用修正的Cockcroft-Latham損傷模型來表征制件表面的損傷
行為
C=P ^de < C不發生斷裂 ^ Jo ^
C=Vf ^de > C發生斷裂
.jO (T式中，J為等效塑性應變，斤和O _分別為等效應力和最大主應力，C為損傷值，&為斷裂應變，C'為臨界損傷值；所述和C'為關于變形溫度和應變速率的函數，&通過高溫單軸拉伸試驗測得，計算得到= Sf^T) = Sf(Z)，其中z =IRT)，Q為變形激活參數，R為普適氣體常數，T為變形溫度。有益效果
本發明提出的一種基于有限元模擬的液-固擠壓制件表面裂紋預測方法，將綜合擠壓極限圖理論和連續介質損傷力學理論，提出基于熱-力耦合溫度場模擬的液-固擠壓熱裂紋預測方法和基于修正的Cockcroft-Latham損傷模型的表面龜裂紋預測方法，并將兩種缺陷預測方法有機地結合起來。此外，Cockcroft-Latham損傷模型中的臨界損傷值不再是一常數，而是關于變形溫度和變形速率的函數，通過大量的高溫拉伸試驗測得。因此，采用本發明方法得到的預測結果有望更加接近實際的變形和損傷演化情況。具體通過建立變形-傳熱-損傷三場耦合的有限元模型，數值模擬成形過程中坯料內部及表面溫度場和損傷演化規律，準確預測表面裂紋的類型、產生的位置和對應的工藝參數。整個成形過程的模擬在Def0rm2DTM商用有限元軟件上進行，有限元模擬流程如圖I所示。
圖I1:本發明的流程圖，Tb為制件表面溫度，Ts為變形材料的固相線溫度圖2 :液-固擠壓極限不意圖
具體實施例方式現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述本發明的技術方案包括以下步驟步驟I :采用DEF0RM-2D 商業有限元軟件作為計算平臺，分析類型選取熱力耦合模擬。根據液-固擠壓成形工藝，將計算過程分為壓力凝固和隨后的擠壓變形兩個工況進行，分別定義兩個工況的載荷步數和步長。壓力凝固過程為金屬由液態冷卻到預定擠壓溫度的液-固態，所需時間由模擬結果確定。初步設定載荷步數為120步，步長為5s。擠壓階段的起始載荷步即坯料冷卻到預定的擠壓溫度所對應的載荷步，根據壓力凝固階段溫度場模擬結果確定。擠壓變形階段的載荷步數設定為200步，步長設為坯料最小單元邊長的1/2長度。步驟2 :根據成形模具與坯料的尺寸，建立其幾何模型。為避免模擬擠壓過程中材料在擠壓筒和模具拐角處產生應力奇異，尖角處使用小圓角過渡。采用四節點等參單元對坯料和模具幾何模型進行有限元網格劃分。由于擠壓過程中變形區發生大塑性變形，所以對該區域的坯料網格單元進行局部細化。步驟3:材料屬性定義。成形過程中模具的變形很小，可忽略不計。因此，可將模具定義為剛性熱導體。鑒于復合材料液-固擠壓過程中變形溫度、變形速率和變形程度對變形抗力都有一定程度的影響，可采用溫度及應變速率相關的雙曲正弦本構方程描述其在半固態及高溫固態下的流變應力行為
權利要求
1.一種基于有限元模擬的液-固擠壓制件表面裂紋預測方法，其特征在于采用DEF0RM-2D 商業有限元軟件作為計算平臺，將計算過程分為壓力凝固和隨后的擠壓變形兩個工況進行。具體步驟如下 步驟I :建立液-固擠壓成形模具和坯料的幾何模型，采用四節點等參單元將建立的幾何模型進行有限元網格劃分； 步驟2 :在DEF0RM-2D 商業有限元軟件的材料庫中自定義模具材料的熱物理性能和力學性能；定義坯料的熱物理性能、高溫及半固態流變應力、損傷模型及其臨界損傷值；所述熱物理性能包括熱容、熱導率和輻射系數，所述的力學性能包括密度和彈性模量；所述臨界損傷值為關于變形溫度和應變速率的函數，通過高溫拉伸試驗測得； 步驟3 :設定模具和坯料的初始溫度和邊界條件；所述初始溫度包括模具中沖頭、擠壓筒、成形模和圓柱銷的預熱溫度、液態鎂合金澆注溫度和環境溫度；所述邊界條件包括對稱邊界條件、換熱邊界條件和摩擦邊界條件；所述換熱邊界條件包括模具和坯料與周圍環境的對流、輻射以及坯料與模具之間的熱傳導； 步驟4:定義加載方式，包括定義沖頭為主動件，坯料為變形體；定義加載方式為勻速的沖頭下行實現坯料的擠壓變形； 步驟5:運行有限元模擬程序，計算過程中采用坯料穿透模具內壁的深度超過坯料最小單元邊長的1/3長度作為網格自動重劃的判據，當沖頭行程達到需要的設定值時，計算終止； 步驟6 :根據液-固擠壓過程中溫度場和損傷演化的有限元模擬結果，分析得到導致制件表面熱裂紋和龜裂紋產生的擠壓溫度和擠壓速度，具體步驟如下 ①當坯料被擠出成形模時，如果制件表面溫度Tb高于坯料的固相線溫度Ts時，制件表面將產生熱裂紋，構建關于擠壓溫度和擠壓速度的液-固擠壓成形極限圖，將產生熱裂紋對應的擠壓溫度和擠壓速度參數定義為“熱裂區”，其余的則定義為“無熱裂區”; ②在液-固擠壓成形極限圖中的“無熱裂區”參數條件下，如果擠壓制件表面單元損傷值超過坯料的臨界損傷值時，此時的參數為產生龜裂紋的參數，排除該種參數之外的工藝參數即為合理的工藝參數。
2.根據權利要求I所述的基于有限元模擬的液-固擠壓制件表面裂紋預測方法，其特征所述的損傷模型采用修正的Cockcroft-Latham損傷模型來表征制件表面的損傷行為 C=P^de <C不發生斷裂 < Jo σ C=Vf ^de > C發生斷裂 .Jo σ 式中，J為等效塑性應變，斤和Omax分別為等效應力和最大主應力，C為損傷值，為斷裂應變，C'為臨界損傷值；所述和C'為關于變形溫度和應變速率的函數，通過高溫單軸拉伸試驗測得，計算得到C(取)=Sf(^T) = Sf(Z)，其中Z =叔哪(QlRT)，Q為變形激活參數，R為普適氣體常數，T為變形溫度。
全文摘要
本發明涉及一種基于有限元模擬的液-固擠壓制件表面裂紋預測方法，將綜合擠壓極限圖理論和連續介質損傷力學理論，提出基于熱-力耦合溫度場模擬的液-固擠壓熱裂紋預測方法和基于修正的Cockcroft-Latham損傷模型的表面龜裂紋預測方法，并將兩種缺陷預測方法有機地結合起來。此外，Cockcroft-Latham損傷模型中的臨界損傷值不再是一常數，而是關于變形溫度和變形速率的函數，通過大量的高溫拉伸試驗測得。采用本發明方法得到的預測結果有望更加接近實際的變形和損傷演化情況，準確預測表面裂紋的類型、產生的位置和對應的工藝參數。
文檔編號G06F17/50GK102629288SQ20121005157
公開日2012年8月8日 申請日期2012年3月1日 優先權日2012年3月1日
發明者關俊濤, 劉健, 衛新亮, 周計明, 馬玉欽, 齊樂華 申請人:西北工業大學