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DEFORM和Marc平台下棒线材热连轧过程的数值模拟
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3秒自动关闭窗口Ti_3Al-Nb基合金环件轧制模拟及其工艺优化--《南昌航空大学》2013年硕士论文
Ti_3Al-Nb基合金环件轧制模拟及其工艺优化
【摘要】：环件轧制技术在综合技术、经济效益等方面具有突出优势。Ti_3Al-Nb基合金作为一种良好的高温结构材料，具有弹性模量高、密度低、良好的高温力学性能和抗氧化性能。因此，Ti_3Al-Nb基合金环件在航空、航天和汽车工业的燃料发动机领域具有良好的应用前景。然而，由于环轧过程具有的非线性、时变性以及非稳态特性，使得Ti_3Al-Nb基合金轧制过程中易产生端面凹陷、椭圆及裂纹等缺陷。本文以Ti_3Al-Nb基合金为研究对象，基于DEFORM-3D有限元软件对Ti_3Al-Nb基合金环件轧制过程进行数值模拟，并优化其工艺参数，研究结果可为Ti_3Al-Nb基合金环件的实际生产提供参考。
根据环件轧制理论和特点，分别建立了环件和各轧辊的运动规律数学模型。根据等温恒应变速率压缩试验数据，构建了Ti_3Al-Nb基合金的材料数据库。以Ti_3Al-Nb基合金环件成品尺寸为Φ580×Φ500×100mm，环坯尺寸为Φ445×Φ340×105mm，利用DEFORM-3D软件对Ti_3Al-Nb基合金环件轧制的过程进行模拟分析，研究轧制过程中环件几何形状的变化，温度场、等效应变场以及力能参数的演变规律。研究结果表明，轧制过程中存在“鱼尾”缺陷；温度由心部区域到表面区域逐渐降低分布，环件心部区域温度最高，端面受到轴向的轧制作用温度稍高，角部区域温度最低；等效应变场分布不均匀，等效应变由外层区域向心部区域逐渐降低，角部区域等效应变始终最大，心部区域等效应变最小；环件咬入孔型时，芯辊轧制力从零迅速增大到2.59×105N，进入稳定轧制阶段，轧制力趋于平缓下降。
在分析影响椭圆度、轧制力、轧制力矩工艺参数的基础上，规划了一个L18正交试验，研究了因素(坯料开轧温度、驱动辊转速、芯辊进给速度、导向辊角度、驱动辊摩擦系数、锥辊摩擦系数)对椭圆度、轧制力和轧制力矩的影响规律。研究结果表明，锥辊摩擦系数对环件椭圆度的影响最显著，坯料开轧温度对环件轧制力及力矩的影响均最大。
根据优化设计，优化出了Ti_3Al-Nb基合金环件轧制工艺参数值为：坯料开轧温度1100℃，驱动辊转速1.8182rad/s，芯辊分段进给速度1-0.8-0.6mm/s，导向辊角度75°，驱动辊摩擦系数取较大值好(0.85)，锥辊摩擦系数值不宜过大(0.3)。
【关键词】：
【学位授予单位】：南昌航空大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2013【分类号】：TG337【目录】：
摘要3-4Abstract4-8第1章 绪论8-15 1.1 环件轧制技术简介8-9
1.1.1 环件轧制的分类8-9
1.1.2 环件轧制成形特点9 1.2 环件轧制技术研究现状9-12
1.2.1 环件轧制的试验研究10
1.2.2 环件轧制的理论研究10-11
1.2.3 环件轧制的有限元模拟研究11-12 1.3 Ti_3Al-Nb 基合金简介12-13 1.4 研究背景及意义13 1.5 研究内容13-14 1.6 本章小结14-15第2章 环件轧制及有限元基础理论15-25 2.1 环件轧制成形基本理论15-20
2.1.1 咬入条件15-18
2.1.2 锻透条件18-19
2.1.3 刚度条件19-20 2.2 有限元基础理论20-23
2.2.1 刚塑性有限元基本方程20-21
2.2.2 刚塑性有限元法变分原理21-22
2.2.3 刚塑性有限元法求解列式22-23 2.3 有限元软件 DEFORM-3D 软件介绍23-24 2.4 本章小结24-25第3章 Ti_3Al-Nb 基合金环件轧制模型的建立25-35 3.1 模拟试验方案25-26 3.2 模型运动规律及数学模型26-30
3.2.1 芯辊运动规律数学模型26-28
3.2.2 环件运动规律数学模型28-29
3.2.3 导向辊运动规律的数学模型29-30
3.2.4 锥辊运动规律的数学模型30 3.3 几何模型的建立30-31 3.4 Ti_3Al-Nb 基合金材料模型31-33 3.5 DEFORM-3D 前处理中关键技术33-34 3.6 本章小结34-35第4章 Ti_3Al-Nb 基合金环件轧制过程数值模拟35-45 4.1 Ti_3Al-Nb 基合金环件轧制模拟参数35 4.2 模拟结果与分析35-43
4.2.1 Ti_3Al-Nb 基合金环件轧制过程中几何形状的变化35-36
4.2.2 Ti_3Al-Nb 基合金环件轧制过程中温度演变规律36-39
4.2.3 Ti_3Al-Nb 基合金环件轧制过程中等效应变演变规律39-41
4.2.4 Ti_3Al-Nb 基合金环件轧制过程中力能参数演变规律41-42
4.2.5 Ti_3Al-Nb 基合金环件轧制过程中金属流动演变规律42-43 4.3 本章小结43-45第5章 Ti_3Al-Nb 基合金环件轧制工艺参数优化45-62 5.1 正交试验设计方法45-48
5.1.1 正交试验的理论基础45
5.1.2 正交表的特性45-46
5.1.3 正交试验方法的步骤46
5.1.4 正交试验的分析方法46-48 5.2 Ti_3Al-Nb 基合金环件轧制参数正交优化设计及试验48-51
5.2.1 确定因子和水平48
5.2.2 确定试验指标48-49
5.2.3 正交表的选用、表头设计49-50
5.2.4 正交试验结果50-51 5.3 正交试验结果分析51-57
5.3.1 极差分析51-53
5.3.2 方差分析53-55
5.3.3 综合分析55-57 5.4 优化结果验证57-61 5.5 本章小结61-62第6章 结论62-63参考文献63-67攻读硕士期间发表的论文67-68致谢68-69
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