大锻件镦粗成形中内部空洞型缺陷的演化规律研究

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大锻件镦粗成形中内部空洞型缺陷的演化规律研究
摘要
大锻件作为大型成套设备的核心零件，在国民经济建设、国防装
备发展中发挥着举足轻重的作用。大锻件的锻造过程研究不仅仅着眼
于如何生产出满足要求、具有一定形状尺寸的锻件，更重要的是研究
如何修复缺陷、改善微观组织和创造有利的力学条件使锻造过程中不
出现新的裂纹或夹杂性裂纹。镦粗成形作为最基本的锻造工艺，可以
锻合锻件的先天性空洞缺陷，改善材料的力学性能，从而提高锻件的
内在质量及承载能力。本文通过深入分析大锻件内部空洞型缺陷在镦
粗过程中的变化，得到了空洞的演化规律、影响空洞闭合的因素和提
高空洞闭合效果的条件。本文的主要工作和研究成果如下：
1)基于细观损伤力学的Gurson模型，对空洞的演化规律和影响
空洞闭合的因素进行分析，得到材料内部空洞闭合的力学条件。
2)通过对Gurson模型的本构关系及更新计算的研究，对Marc进
行二次开发，将包含空洞的本构模型嵌入到Hypela子程序中，实现了
空洞演化的数值模拟运算。
3)通过比较包含Gurson本构模型和人工空洞模型的数值模拟结
果，发现Gurson模型实现空洞闭合的条件是材料的静水应力或等效应穷大。由于这一条件并不符合实际情况，本文又基于正交试验设
计，模拟了不同试验参数下的空洞体积变化，从而获得了修正的Gurson
模型参数。修正后的Gurson模型给出的空洞体积比接近直接设置人工
空洞的模拟结果。研究表明，空洞位于锻件心部时闭合最容易，其位
置越接近端面越难于闭合；空洞的闭合程度随基体材料硬化程度的增
高而变差。
4)以铅作为模拟大锻件成形的材料并在试件上设置微小空洞，进
行镦粗成形物理试验模拟，验证了空洞的闭合准则。对比发现，空洞
体积变化规律与数值模拟结果基本一致。
关键词：空洞闭合，Gurson模型，正交试验，大锻件

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目录
第一章绪论.................................................................................................................1
§1.1本文的研究背景................................................................................................1
§1.2相关领域的研究现状.........................................................................................2
§1.2.1理论研究......................................................................................................2
§1.2.2数值模拟研究.............................................................................................5
§1.2.3物理模拟及试验研究.................................................................................7
§1.3本文的研究内容和意义..................................................................................10
§1.3.1本文的研究意义.......................................................................................10
§1.3.2本文的研究内容.......................................................................................11
第二章细观空洞损伤本构模型.................................................................................13
§2.1引言..................................................................................................................13
§2.2三种典型的空洞损伤模型..............................................................................13
§2.2.1圆柱空洞损伤模型...................................................................................14
§2.2.2球形空洞损伤模型...................................................................................17
§2.2.3 Gurson空洞损伤模型................................................................................19
§2.3弹塑性损伤有限元分析本构关系..................................................................24
§2.4本章小结..........................................................................................................25
第三章材料内部空洞型缺陷的闭合条件及有限元实现.........................................26
§3.1含空洞材料的本构关系及闭合判定..............................................................26
§3.2弹塑性应变分解与应力更新..........................................................................27
§3.2.1非线性显式图形返回算法.......................................................................28
§3.2.2非线性完全隐式图形返回算法...............................................................29
§3.2.3基于J2流动理论径向返回算法..............................................................32
§3.3 Gurson模型本构关系在MARC软件中的实现..........................................35.......................................................................39
第四章空洞型缺陷演化的数值模拟及Gurson模型的修正..................................40
§4.1大锻件内部空洞体积变化的数值模拟比较..................................................40
§4.2修正Gurson模型参数的确定.......................................................................42
§4.2.1正交试验设计...........................................................................................43
§4.2.2心部存在空洞时的数值模拟结果............................................................44
§4.2.3其他位置存在空洞的数值模拟结果.......................................................48
§4.2.4不同硬化条件对空洞闭合程度的影响...................................................51
§4.3本章小结..........................................................................................................52
第五章空洞演化的试验验证.....................................................................................53
§5.1物理试验主要步骤介绍...................................................................................53
§5.1.1试验设备的选用及试件的制备................................................................53
§5.1.2试验原理及测试方案设计.......................................................................55
§5.1.3试验结果的处理.......................................................................................57
§5.2物理试验与数值模拟结果对比......................................................................60
§5.2.1结果对比...................................................................................................60
§5.2.2误差及数据分析.......................................................................................61
§5.3本章小结..........................................................................................................62
第六章结论与展望.....................................................................................................63
§6.1结论...................................................................................................................63
§6.2展望...................................................................................................................64
参考文献.......................................................................................................................65
致谢...............................................................................................................................69