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发展中的塑性加工理论和模拟技术
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热模压nd-fe-b磁体变形过程及其模拟研究
simulation of hot deformation process for.
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simulation of hot deformation process for die-upset nd-fe-b magnets
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官方公共微信常化处理对2.9%Si+0.7%Al无取向硅钢织构及磁性能的影响--《材料热处理学报》2012年10期
常化处理对2.9%Si+0.7%Al无取向硅钢织构及磁性能的影响
【摘要】：以2.9%Si+0.7%Al无取向硅钢热轧板为初始材料,利用金相显微术、EBSD、XRD对比研究了常化处理/不常化处理对后续组织、织构演变以及磁性能的影响,分析了常化处理对各厚度层织构演变的影响。结果表明,常化处理改善了冷轧前组织的均匀性并弱化了热轧变形织构。与不常化处理相比,常化处理使最终成品板的晶粒尺寸增大,使各厚度层的γ纤维织构减弱、λ纤维织构增强,从而使磁性能得到明显改善。通过适当提高常化处理温度来增大晶粒尺寸,有助于成品板获得更大的晶粒尺寸,并在各厚度层形成更弱的γ纤维织构以及更强的Goss织构、λ纤维织构,使磁性能得到大幅改善。另外,发现在热轧、常化、冷轧、退火板的厚度方向上均存在明显的织构梯度。
【作者单位】：
【关键词】：
【基金】：
【分类号】：TG142.4【正文快照】：
无取向硅钢是一种重要的软磁材料[1-2],广泛地应用于电动机和发电机的制造领域。要求具有较低的铁损和较高的磁感应强度以尽量减小电机的体积、质量并降低功耗。一般而言,调整钢中化学成分可以改善磁性能,如增加硅、铝元素的含量,可以显著降低铁损,但是磁感应强度却也会随之
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【参考文献】
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淘豆网网友近日为您收集整理了关于发展中的塑性加工理论和模拟技术的文档，希望对您的工作和学习有所帮助。以下是文档介绍：发展中的塑性加工理论和模拟技术 发展中的塑性加工理论和模拟技术* 董湘怀李志刚华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室 武汉 430074
摘要综述了国内外塑性加工理论和塑性成形模拟技术的若干重要进展介绍了塑性成形过程模拟软件的一些新功能及应用现状讨论了塑性加工理论和模拟技术的主要发展趋势关键词塑性加工数值模拟有限元法0
前言随着以信息技术为代表的高新技术的迅猛发展知识经济和全球化制造的兴起塑性加工理论和模拟技术的发展呈现出交叉性前沿性和实用性的特点对塑性成形规律的研究从材料的变形及应力应变分布发展到组织性能的变化从宏观现象到细观和微观机理从单纯的塑性加工延拓到相关的热处理和使用性能借助于数值模拟技术塑性加工理论成果能很快地实际应用塑性成形过程的数值模拟在工业发达国家已进入应用普及阶段我国一些企业也开始尝试应用模拟技术的应用由检验设计方案向工艺优化的方向发展本文简要地介绍了近年来塑性加工理论模拟技术及其应用的一些重要进展并分析了其发展趋势1
基础理论方面塑性加工理论是与材料科学和力学有关的跨学科研究领域关于材料本构关系的研究一直是该领域最活跃的研究方向一方面这是由于理论和(来源：淘豆网[/p-5705157.html])实验技术的发展使得人们能更深入地探讨塑性变形机理另一方面也是由于新材料和新的应用需求不断地提出新的课题晶体塑性理论根据晶体材料塑性变形的机理即位错滑移和孪晶建立单晶体和多晶体材料的本构模型对于研究材料的各向异性和织构有着独特的优越性是塑性力学界长期关注的理论课题晶体塑性理论在预测面心立方 FCC 纯金属的织构演化方面取得了很大的成功 合金在轧制过程中形成的黄铜型织构近年来 Staroselsky 等人[1]针对 FCC 合金材料提出了同时考虑滑移和孪晶的晶体塑性模型他们的模拟结果表明 FCC 合金中孪晶的开动是造成黄铜型织构的原因 Liao 等人[2]针对体心立方 BCC 金属建立了&111& 铅笔滑移 pencil glide 即滑移系是由包含&111&晶向的平面以及该面内的最大剪应力方向所组成和{110}&111&以及{112}&111&为滑移系的晶体塑性模型他们将模拟结果与织构分析实验结果进行了对比结果表明这几种模型都能给出与实验结果相吻合(来源：淘豆网[/p-5705157.html])的变形诱导织构演化滑移系的选择对屈服轨迹的形状有很大影响晶体塑性理论能够预测越来越多的塑性变形机理尽管其结果目前还主要是定性的 Xie 等人[3]利用晶体塑性理论考察了织构对板材成形性能的影响模拟结果表明织构中的γ纤维对提高 BCC 金属板材的成形性能起着重要的作用由于晶体塑性本构模型所需计算量十分巨大因此它主要用于塑性变形机理的研究为了在不* 国家和湖北省自然科学基金资助项目 0J121明显地增加计算代价的前提下在本构关系中考虑多晶体材料的织构比现有的宏观塑性力学本构模型更精确地描述塑性各向异性塑性对偶势理论受到一些研究者的重视在这种本构模型中塑性势函数中的系数是通过拟合用晶体学方法根据织构分析结果计算出的多晶体屈服面来确定的Zhou 等人[4]采用四阶塑性对偶势分析了板材成形中的制耳在锻造等热加工过程中除工件的形状变化人们还关心其内部组织性能的变化以满足零件的使用要求同时为了利用锻件余热进行热处理以提高生产率和减少能量消耗要求研究塑性加工以及相关的热处理过程中工件组(来源：淘豆网[/p-5705157.html])织性能的变化规律关于热处理过程中的相变渗碳量等的预测已初步得到应用[5]冲压后工件的回弹是一个长期困扰塑性加工界的世界性难题尽管塑性成形模拟方法已能较准确地预测冲压中的起皱破裂等缺陷但对于回弹的预测还很不准确由于汽车等工业部门日益广泛地采用高强度钢板轻金属等材料回弹问题更显严重它引起国际上汽车工业界和塑性加工学术界的极大重视由于它涉及到复杂的物理机理板材的变形条件和变形历史必须从理论上开展深入的研究在回弹问题研究中近年来取得了一些进展 Nader Asnafi[6]对双曲率工件冲压成形后的回弹进行了试验研究了影响回弹的主要材料性能和工艺参数其研究表明增大进料阻力能增加工件所受拉伸应力减小弯矩对于减小回弹起重要作用 Gau 等人[7]对钢板和铝板进行了反复弯曲实验发现铝板的回弹量随弯曲/反弯曲次数的增加而逐渐增大而钢板的回弹量随弯曲/反弯曲次数的变化不明显他们认为对于铝板的回弹预测必须在考虑变形历史的同时考虑包兴格效应他们提出了一种能考虑包兴格效应的厚向异性材料本构模型[8]其中采用新的多屈服面(来源：淘豆网[/p-5705157.html])模型考虑同时包含等向强化和运动强化的材料实际强化规律与单纯考虑等向强化或运动强化或 Mroz 多屈服面模型相比他们的模型与前述反复弯曲实验结果吻合得更好冲压成形和回弹过程模拟可分别采用显式隐式或显式和隐式耦合的有限元计算法进行预测 Rohleder 等人[9]分别用基于这几种算法开发的几种不同的商业软件对圆筒形工件拉深后筒壁不同高度截下的圆环剖开后的回弹进行了模拟计算并与实验结果进行了比较其中显隐耦合算法的结果与实验结果吻合得最好这与人们通常所持的隐式算法能更准确地预测回弹的看法不一致这说明如果采用合适的单元模型和本构关系模型各种有限元算法都能有效地用于回弹预测 El-Abbasi[10]等考虑到冲压成形模拟等工程问题的需要提出了一种考虑厚向变形的新的厚壳单元他们引入了两个新的节点自由度分别描述厚度变化和沿厚向应变的线性变化这种单元能用于分析成形过程中工件两面同时受到模具作用的场合利用这种单元模拟校正弯曲造成的工件中的三向应力状态将会有利于提高校正弯曲后回弹预测的精度动力显式算法不需迭代避免了(来源：淘豆网[/p-5705157.html])静力隐式算法中常常遇到的收敛性问题在采用集中质量矩阵和集中阻尼矩阵后形成的整体求解方程是彼此独立的不需联立求解减少了所需存储量和计算量因此近年来成为冲压成形中模具加载过程模拟计算的最流行的方法为了解决由于时间步长限制造成的计算步数多的问题在冲压成形模拟中常常人为地提高模具的运动速度使得每一步模具的位移增量增大这样就不可避免地增大了惯性效应作者采用能量法对曲面压边圈夹紧和圆筒件拉深过程分别进行了惯性效应分析[11,12]确定了影响惯性效应的主要因素和模具的极限运动速度为采用动力显式方法模拟冲压成形过程时正确选取模具运动速度提供了参考在产品小型化微型化需求的推动下微细成形技术引起了越来越广泛的关注尺度在 500 纳米至 500 微米之间的金属成形研究正受到工业需求的强力驱动韩国政府资助开展了毫米结构milli-structure 研究计划微细成形中会出现尺度效应材料的流动应力各向异性和延展性等会随着工件特征尺寸以及特征尺寸与晶粒尺寸比值的变化而发生变化[13]挤压中摩擦系数随冲头直径的减小而增大[(来源：淘豆网[/p-5705157.html])14]当工件特征尺寸达到数微米时会出现应变梯度尺度效应使扭转弯曲压入等具有应变梯度的变形条件下的屈服应力显著增加[15]目前已提出一些解释和计算尺度效应的理论如表面晶粒计算方法应变梯度塑性理论等这些理论的发展和完善将推动微细成形技术的开发和应用由于存在尺度效应不能简单地利用相似理论进行实验研究而要开发适合于微细成形研究的精密实验方法和检测技术如微视塑性法等[16]2
数值模拟技术方面在应用需求的驱动下塑性成形数值模拟技术的发展呈现出如下特点一方面不断改进计算模型和计算方法以提高求解精度和速度扩展数值模拟技术的应用范围另一方面将数值模拟与成形工艺优化相结合与 CAD/CAM 集成形成智能化的成形工艺和模具设计方法为了提高冲压成形过程模拟的效率 Pourboghrat 等人[17]提出了一种混合采用膜单元和壳单元的计算方法他们采用膜单元模拟冲压过程其中弯曲/反弯曲应变采用解析方法根据膜的形状求解其后将求得的膜的形状以及弯曲应变和应力带入壳单元中计算回弹这样可以节省 50%的计算时间有的研究者提出(来源：淘豆网[/p-5705157.html])粗化模具网格以减少成形模拟计算量的方法采用隐式算法模拟塑性成形过程时绝大部分 CPU 时间消耗于方程组求解因此采用高效率的方程组求解算法是提高模拟计算效率的关键近年来稀疏阵求解算法 Sparse solver 已得到应用与传统的等带宽算法变带宽算法和波前法相比稀疏阵解法不仅能大大提高计算速度而且能节省存储量另外采用预处理的迭代解法计算速度快所需存储量小对于某些成形模拟问题也是有效的方法[5]接触问题是塑性成形模拟中的一个难点采用拉格朗日乘子法会引入新的变量采用罚函数法则几何约束条件不易精确地得到满足而且罚因子要凭经验选取 Farahani 等人[18]提出了一种新的接触处理方法他们将相互接触的两个物体中的一个定义为接触物体另一个为目标物体假设接触力分别作用于接触物体的节点和目标物体的表面通过刚度矩阵的变换消去接触物体的法向自由度这种方法以刚度矩阵的变换和修改为代价避免了拉格朗日乘子法和罚函数法的缺点可以应用于一般接触问题的处理 Shim 等人[19]研究了直接采用剪裁的 NURBS 曲面描述冲(来源：淘豆网[/p-5705157.html])模型面并进行接触处理的方法对于复杂程度不太大的冲压件这种方法将有助于减少数据量和提高模拟精度Gearing 等人[20]将 Anand 提出的率无关各向同性等温界面摩擦模型推广为率相关模型该模型引入了界面滑动抗力作为反映复杂的接触微观力学现象的宏观内变量可以描述摩擦系数随正压力滑动速度和滑动位移量而变化的实验现象用于冲压成形模拟比库仑摩擦定律更精确利用塑性成形模拟进行成形工艺和模具设计的优化是近年来的一个研究热点预成形设计是体积成形工艺优化的具体应用在优化计算中可以利用反向模拟也可以利用正向模拟如果优化的目标仅仅是终锻件的几何形状满足设计要求用反向模拟能更直接地找到最优解但反向模拟中边界条件的处理较困难而正向模拟通常要与最优化计算方法结合应用采用的最优化计算方法有灵敏度分析方法直接微分法拟合优化法微观遗传算法一致变换方法神经网络形状内插值法和改进的约束梯度法[21]但目前最优化的目标主要是针对工件的形状尺寸对工件内部组织性能的考虑不多主要限于二维问题工序数较少冲压工艺优化与体积成形优化的基本方(来源：淘豆网[/p-5705157.html])法是类似的冲压成形中工件的形状为空间曲面坯料的初始构形为平面因此用逆算法即反向模拟较体积成形方便得多板料成形模拟的逆算法计算速度很快通常只需一个计算步因此已成为目前用于冲压工艺优化的主要方法如 Naceur 等[22]用逆算法优化拉延筋阻力使冲压件中厚度分布最均匀Shim[23]等人则采用正向模拟和灵敏度分析进行冲压工艺优化使设计的毛坯冲压出的工件可很好地满足产品形状要求3
塑性成形模拟软件及其应用塑性成形模拟技术经历了几十年的发展国际上已出现了一批塑性成形模拟软件这些软件都是采用有限元法进行数值计算的大致可以分为两类一类是将通用有限元软件的功能扩充后用于塑性成形过程模拟如集成了 LS-DYNA3D 和 LS-NIKE3D 后的 ANSYS ABAQUS 等另一类是专门为塑性成形模拟开发的软件如主要用于体积成形和热处理分析的 DEFORM 用于冲压成形包括液压胀形模拟的 DYNAFORM AutoForm PAM-STAMP OPTRIS 等塑性成形模拟技术在工业发达国家已经进入应用普及阶段(来源：淘豆网[/p-5705157.html])一些大企业将成形模拟作为成形工艺设计和模具设计的必经环节和模具验收的依据之一目前国际上较流行并已进入中国市场的专业化的冲压成形模拟软件主要有 DYNAFORMAutoForm PAM-STAMP OPTRIS 等这些软件的开发商与大型的汽车和金属板材制造商有着密切的联系后者一方面是这些模拟软件的主要用户另一方面也为软件的开发提供了必不可少的技术资料和检测手段这些软件采用的有限元求解算法各有特点如 DYNAFORM 是采用显隐耦合算法AutoForm 采用全拉格朗日列式的静力隐式算法由于激烈的市场竞争和用户的挑剔当某个软件开发商推出一种新功能后其他开发商就会很快仿效因此这几种软件的功能比较接近这几种软件都具有与 CAD 软件的接口以便与冲压工艺和冲模设计相衔接接口文件格式有 IGES VDAFSNASTRAN 等为了全面支持冲压工艺和模具设计它们都不同程度地提供了自动生成和交互修改压料面工艺补充部分和拉延筋的手段使用户输入零件几何模型后就能利用软件进行成形分析除了通常的用于进行详细分析的有限元增量算法以外这些软件大都还提供了可快速进行成形分析并预测毛坯形状的逆算法为了适应用户分析冲压新工艺的需要它们也不同程度地支持对液压胀形吹塑成形超塑性成形爆炸成形橡皮成形等成形工艺的模拟以及对拼焊板的成形模拟它们都支持包括压边圈夹紧拉延修边翻边在内的多工序成形过程以及回弹过程的模拟大都提供了对工艺参数和几何参数进行优化计算的模块它们的后处理除了提供通常的位移应变和应力分布以外还能根据模拟计算结果给出成形极限分析冲压工艺性分析模具受力相对滑动等许多专业性的分析结果极大地方便了人们对冲压成形过程规律性的理解另外冲压成形分析结果可以 NASTRAN 等格式输出用于强度和碰撞等分析据报道美国通用汽车公司每年要对 6000 个冲压件进行成形过程模拟为此还专门设立了一个新的工作岗位称为分析师采用冲压成形模拟技术可以使冲模设计制造周期缩短至原来的 50%其经济效益十分明显在体积成形方面目前国际上较有影响并已进入中国市场的专业化的模拟软件主要是DEFORM DEFORM 分为 2 维和 3 维两个相对独立的模块 2 维模块具有 XYR 和直线圆弧两种数据输入模式也有 IGES DXF 等标准图形输入接口 3 维模块则有 STL PATRAN IDEAS 等图形输入接口 DEFORM 除了模拟锻造过程以外还可以模拟轧制挤压粉末成型等多种体积成形工艺和切削加工工艺 DEFORM 还有 2 维和 3 维热处理模块可以模拟正火退火淬火回火时效和渗碳等热处理过程可以预测工件的硬度残余应力淬火变形以及其它有关的机械和材料特性作为一个专业化的热加工过程模拟软件 DEFORM 在考虑包括塑性变形功和摩擦功的热效应在内的热力耦合分析方面在变形和包括相变在内的材料组织性能演化的耦合分析方面在自适应网格重分方面,都有其独到之处 我国在塑性成形模拟方面起步较早许多大学和研究所都开展了长期的系统的理论研究和软件开发形成了一批具有实用性的软件其中有的软件达到了一定的商品化水平例如吉林大学开发的 KMAS 软件系统成功地应用于小红旗轿车 488 发动机油底壳的冲压成形工艺优化和发射天线反射镜面的回弹补偿等工程问题[24]华中科技大学开发的 VFORM 软件系统包含了增量法和逆算法有限元分析模块[25]但是由于没有形成良好的市场机制国内模拟软件的商品化与国外差距还很大近年来我国在塑性成形模拟方面有明显的进步一方面国家资助的科技项目越来越重视开发具有自主版权的商品化软件引导模拟软件的研究开发走向自我发展的良性循环另一方面我国企业已经逐步认识到塑性成形模拟技术的重要性包括上海大众东风宝钢等在内的一些大型企业和一些民营企业已经在产品和模具设计中开始采用模拟技术并取得了很好的效果今年在武汉召开的第七届全国塑性加工理论学术会议和第十七届车身技术研讨会上塑性成形模拟都是会议的重要主题充分显示了近年来我国成形模拟技术的迅速发展随着我国加入 WTO 成为全球制造业最具发展潜力的基地我国制造业将逐步地摆脱以仿制为主依靠廉价产品进入国际市场的发展模式过渡到重视产品的创新设计依靠产品质量和快速响应市场的能力参与国际竞争塑性成形模拟技术将在这个转型过程中发挥越来越重要的作用4
塑性加工模拟技术的发展趋势及应用展望塑性加工模拟技术的发展离不开力学材料科学等相关学科的发展这些学科领域基础研究的深化及学科间的协同交叉将为塑性加工模拟中尚未圆满解决的问题提供新的思路在冲压成形模拟中回弹预测的精度还远远不能满足工程应用的需要这是因为对回弹过程的机理影响回弹的各种因素的研究还不够深入和全面为了解决回弹预测的精度问题需要更精确地了解冲压成形过程中应变和应力的分布材料组织性能的变化建立能准确地反映材料组织性能演化如包兴格效应的本构模型能准确地反映冲压过程中工件中应变和应力分布尤其是沿厚度方向的变化的单元模型能准确地反映回弹过程物理规律的力学模型国际上塑性加工过程模拟技术的一个重要发展方向是由变形应力温度等连续介质力学变量的预测向塑性加工过程中材料组织性能演化规律以及与此相联系的零件使用性能的预测推进例如塑性加工中损伤和织构的演化及其对零件使用寿命的影响热加工中晶粒度的变化相变流线的形成等及其对零件使用性能的影响等都是值得进一步研究的问题新的塑性加工工艺的出现以及塑性加工与其他加工工艺的结合也向塑性加工模拟技术提出了新的研究课题例如仅采用了凸模或凹模的充液拉深工艺的模拟要求能在模腔中给定液压力采用一个工具头的逐步成形工艺的模拟要求采用新的计算策略以便在准确地描述工具头作用下的局部成形的同时减少总的计算时间半固态成形工艺的模拟要求同时处理固相液相和相变为此在数值模拟方法本构模型和相变规律等方面都要开展研究塑性加工模拟技术的发展趋势是与材料设计和结构分析结合起来实现材料制备塑性加工热处理和表面处理机加工直到装配使用全过程的模拟实现数字化制造未来的设计模式将是首先根据产品的使用要求确定零件的尺寸及精度力学和其他性能指标使用寿命等然后通过数值模拟选取材料设计其细观和微观组织最后确定能满足零件尺寸和组织性能要求的加工工艺优化工艺参数这将带来设计和制造技术的一次革命在我国发展塑性成形模拟技术应该坚持两条腿走路的方针一方面要在引进国际知名的模拟软件的基础上推广应用目前在应用中的一个突出问题是要尽快建立完备的国产材料的有关数据库其中包括材料的基本性能参数应力应变关系曲线成形极限曲线等以便于应用同时要求发展实验测量技术以便检验模拟计算的精度和调整计算参数另一方面我国还要采取产学研结合的方式促进我国塑性加工理论和模拟技术的发展扶植若干具有自主版权的模拟软件的研究开发促使其实现商业化由于国外软件售价昂贵且与我国的技术标准不尽一致发展我国自己的模拟软件是在我国大量中小企业推广成形模拟技术的必要条件参考文献1 Staroselsky A Anand L. Inealstic deformation of polycrystalline face centered cubic materials by slip and twining. J.Mech. Phys. Solids, ): 671 6962 Lian K-C, Friedman P A, Pan J, et al. Texture development and plastic anisotropy of B.C.C. strain hardening sheetmetals. International Journal of Solids and Structures, ):
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董湘怀联系地址武汉市洪山区珞喻路 1037 号华中科技大学材料学院 430074 联系电话 027-(H)
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发展中的塑性加工理论和模拟技术 发展中的塑性加工理论和模拟技术* 董湘怀李志刚华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室 武汉 430074
摘要综述了国内外塑性加工理论和塑性成形模拟技术的若干重要进展介绍了塑性成形过程模拟软件的一些新功能及应用现状讨论了塑性加工理论和模拟技术的主要发展趋势关键词塑性加工...
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