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镁合金塑性变形能力较差,与其较成熟的铸造技术相比,其塑性变形理论研究还不够深入,镁合金的锻造、挤压、轧制、拉拔、冲压等塑性加工技术发展相对缓慢。加强变形镁合金塑性变形理论及加工技术等方面的研究,对推动镁合金材料的实际应用具有重要的意义。本论文主要研究了变形镁合金热塑性成形过程的力学建模理论和数值模拟方法。通过建立变形镁合金的流变应力方程,结合一种正交各向异性屈服准则,推导出变形镁合金热弹塑性增量本构关系模型,在此基础上实现了变形镁合金板材的轧制和热拉深数值模拟,并进行了实验验证,模拟结果与实验吻合良好,可用于对变形镁合金热塑性成形过程的模拟计算。主要研究内容如下:
首先,在实验研究的基础上提出了变形镁合金的流变应力方程,经验证可与实验曲线较好吻合;在分析和总结已有屈服准则的基础上,选择了一种正交各向异性屈服准则,结合本文建立的流变应力方程,推导出变形镁合金的热弹塑性增量本构关系模型,建立了该本构关系的积分算法格式以及实现模拟所必需的一系列算法和公式。在MSC.Marc软件平台的基础上开发了用户子程序,实现了上述的通式和算法,并对变形镁合金单轴拉伸进行数值模拟,结果与实验较为一致。
其次,进行了变形镁合金热轧制数值模拟研究。用已建立的模型、公式、算法和开发的程序,计算了变形镁合金平板的三维轧制过程,着重分析轧件咬入阶段与稳定轧制阶段的温度、应力、应变分布特点,与实验结果进行对比,验证了模拟结果的准确性。实验选用Mg-Al-Zn系AZEC310303(由本实验中心开发)和Mg-稀土系ZE10两种变形镁合金材料,通过轧制实验最终成形出了厚度为1mmm的板材。
同时,进行了变形镁合金热拉深数值模拟研究。用已建立的模型、公式、算法和开发的程序,对变形镁合合金板材的热拉深过程进行了数值模拟,分析了温度分布状况、由压边力大小不当引起的破裂和起皱现象、产品的壁厚分布和冲压力一行程曲线,并与实验结果进行对比,模拟结果与实验吻合较好。实验研究表明当凸凹模温度、拉深速度、压边力及润滑方式控制合适时,AZEC310303和ZE10的极限拉深比(LDR)可分别达到2.6和2.85。