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摘要：利用Abaqus软件对半固态2A10-T6铝合金试样在不同温度下的成形过程进行模拟分析，探讨了试样在成形过程之中表现出来的金属塑性行为，得出温度与试样压缩高度、应力应变之间的关系。结果表明：随着温度的升高试样所能承受不崩解的最大应力与应变呈现下降趋势，同时观察发现压缩高度表现出上升趋势，且随着温度的上升其上升速度显著增加。
关键词：半固态金属，数值模拟，触变成形，数据对比，温度
一、引言
半固态金属成形技术在现有的各种金属加工成形技术中是极为先进的，它具备凝固收缩很小、对金属最终成形影响较小、偏析小、生产产品的质量相对较高、最终成形等方面的良好特性，因而半固态金属成形工艺在工业上的应用非常普遍[1]。半固态金属加工工艺适合用于具备相对较宽的固液相共存的合金体系[2]。目前，铝合金、镁合金半固态成形工艺已经大致完善，并且在关于实际使用的方面获得了巨大的发展[3]。在材料加工行业中，大部分金属在制备流程中一般为全液态或全固态，而在半固态金属成形过程中，试样是局部融熔的，因此其成形过程中的温度一般处于该种金属的固相线与液相线两者之间，综上所述半固态金属的性质和它的固相体积分数有着紧密的关系，即和温度要素關系紧密[4][5]。按当前情况，半固态金属加工过程的数值仿真模拟总的来说是从两个不同方向进行的：流变成形，触变成形。其中流变成形的模拟是从流体的角度来分析并展开数值仿真模拟的；而触变成形模拟则是从固体角度来分析并且执行加工过程中的数值仿真模拟的。本毕业设计将针对不同温度下的半固态金属触变成形开展仿真分析。
首先利用Abaqus有限元软件对半固态状态下的2A10-T6铝合金镦粗在不同的温度下（200℃，250℃，300℃）受压变形过程进行仿真分析，得出温度与试样压缩高度，应力与应变之间的关系。然后针对仿真分析的结果进行讨论，并为触变成形技术的实际探索提供理论基础。
二、半固态金属成形基础理论
半固态金属成形技术开始是由美国麻省理工学院的弗莱明斯教授以及他所领导的从事相关方面研究探索的科研团队在20世纪70年代的时候发明和创立的。通过强力搅拌正在凝固的半固态金属，对其状态进行进一步钻研，发现经过这类操作之后一些金属材料将会产生球状晶组织或者是近球状晶，由此发明了半固态金属成形技术。半固态金属成形技术的工艺特征：需要用力搅拌正在凝固的金属或者采取一些其他方法调节半固态金属的凝固条件，然后通过这种方法强行令半固态金属无法再产生树枝晶或者是将已经产生的树枝晶再次粉碎，由此产生具备微小，均匀，等轴等性质的初生相平均散布于液相中的悬浮半固态金属浆料。通过这种方法制备的浆料当外力作用在它之上的时候，即使在固相率已经达到60%的情况下。其仍然能够拥有相对较好的触变流动性，因此能够利用压铸、挤压、模锻、铸轧等工艺手段非常方便的对其实行加工成形工作[6]。因为以上半固态金属成形加工技艺的种种优势，使它在实际生产中赢得了一定的应用。
对半固态金属成形过程进行仿真分析，需要采用与该材料对应的表观粘度。其中表观粘度模型的公式如下[7]：
在半固态金属的成形工艺的使用中，与必要注意保证半固态金属材料坯料的供应[8][9]。目前有关半固态金属材料的触变成形工艺已经大致完善，同时从发展情形上看大多数半固态金属流变成形工艺在最近几年中不太可能产生大的技术进步，由此可以看出目前的研究方向应以加快半固态金属触变成形工艺的使用与开发为主，但为了发展的均衡性同时也应该对半固态金属流变成形工艺的发展进行密切的关注。
半固态金属成形中包含有两个非常重要技术，其一是半固态金属浆料的制取工艺，其二则是有关半固态金属坯料的成形技术。浆料制取大多是使用搅拌法亦或者是非搅拌法。其中搅拌法有很多种，机械搅拌法是最先被使用得的一种半固态金属浆料制取办法，它一般是利用搅拌棒、螺旋式搅拌器亦或者是转动的扇叶对融熔体进行搅拌，使半固态金属各个流动层的活动速度各不相等，从而引发足量的剪切应力断裂枝晶，有时候也可以通过促使正在凝结之中的金属液体加快流动，以此破碎枝晶[10]。最终构成弥散状态的球状固相颗粒半固态合金[1][8]。另外一种搅拌法，即电磁搅拌法则是利用电磁修改凝结进程中融熔体的流动、传质和传热等性质，从而使晶粒变得细小[1][8]。除了搅拌制取工艺以外还有就是非搅拌制取工艺，总的来说它大概包括：通过应变从而引导熔体产生活化的方法、喷射沉积法、粉末冶金法、冷却斜槽法、低过热度浇注法等[1][8]。
三、半固态金属成形有限元模型构建
在本毕业设计当中，利用Abaqus/Standard（完全积分）有限元软件模拟2A10-T6铝合金半固态坯料镦粗。首先进行有限元模型的构建，主要包括：几何模型的建立和物理模型的构造，即Abaqus/ Standard预处理，然后开始执行数据后处理。
1.几何模型的建立
在Pro/ ENGINEER三维软件中进行圆柱形铝合金坯料以及上、下模的三维实体模型的构建（如图1所示）先获得‘prt’格式的模型文件，然后将之转变为‘igs’格式的模型文件，并使用Abaqus / Standard前处理器通过其模型输入接口运行‘igs’格式模型，最终得到所需三维实体模型。导出step文件，将step文件导入Abaqus cae中。将三维实体模型中的上、下模设定为刚体，圆柱形铝合金坯料设定为塑性体。在构造三维实体模型时，将上、下模进行简单化，用两个刚性的平面表示，从而使之构建起来更加简单方便，且不会对成形过程的模拟效果产生影响，坯料网格划分，用5×5mm的基本尺寸的网格对坯料进行划分，做出正方体网格，网格类型设置为C3D8R。
2.仿真参数
坯料的步长增量、运动约束、动态、坯料本身材料的特性、坯料边界的条件、模具和坯料相互间的摩擦关系（比如摩擦系数之类的）、加载（加载的应力之类的）、网格划分的种类、振幅的参数以及输出控制的情况参见表1。采用直接加载应力即位移载荷，利用上模的向下位移实现压缩变形，压缩位移为30mm，该模型坯料高100mm。在本毕业设计当中，模拟用的材料是半固态2A10-T6铝合金，关于该半固态金属合金材料的坯料本构关系为在网络上查找数据资料找到的半固态2A10-T6铝合金在压缩变形时的真实应力—应变曲线，即在200℃，250℃，300℃的变形温度以及0.l～1s应变速率情况下半固态2A10-T6铝合金压缩变形的真实应力—应变曲线（如图2所示）。 四、仿真结果与分析
在Abaqus的前处理器中分别构建好三组分别对应200℃，250℃，300℃的幾何模型和物理模型之后，随后产生‘inp’的文件形式，建立文本文档，输入call abaqus job = Part1 200 cpus= 4 int call abaqus job = Part1 250 cpus = 4 int call abaqus job = Part1 300 cpus = 4 int。将文本文档的后缀改成bat，点开提交。提交完成后，开始计算，得到odb结果文件，其结果如图3所示。镦粗是金属成形过程之中的最基本也最常见的一种变形方法，例如模锻、拔长、冲孔、扎制、挤压等诸多加工程序之中都有有关镦粗的使用以及变形，因此探究它有着比较高的代表性。
1.温度与应力模拟结果
由上述结果文件获得的温度与应力应变之间的关系参见表2，由图2以及表2通过分析能够判断出，现实中触变成形的实验所获得的对应的变形力与利用Abaqus软件模拟计算所获得的对应变形力基本一致，在相当程度上体现出仿真模拟获得的应力-应变之间的对应关系具有一定正确性，即模拟所得到的结果在一定程度上能够用来指导相关实践。由模拟的进程以及结果，通过观察可以发现随着温度的上升对应相同应变的应力有所下降。同时当模拟运算进行到一定程度，变形量达到某个极限时，计算机中该软件将中止运算，通过翻阅资料得出这种情况出现在这里或许与其坯料的网格因压力过大而产生相应的畸变有一定关系。
2.温度与压力以及压缩量模拟结果
在图4位移云图和图5主应力云图中能够观察得出（从左到右分别对应200℃，250℃，300℃下所对应的模型），其中第一个也就是在200℃的情况下，该模型所能承受的应力最大，在这个温度下，其能承受1002000N的压力，但其压缩量达到10%即停止。之后是250℃的情况下，其所能承受的最大应力相应有限，只能承受971000N，在变形程度未达15%的情况下，达到极限，进入平衡状态，计算停止，可能是产生了网格崩坏。最后在300℃的情况下，其所能承受的最大应力进一步缩小，在施加的应力达到609000N时，其压缩量达到30%，计算立刻停止，综上所述得出半固态2A10-T6铝合金试样随着温度升高，所能承受的应力、应变下降，同时能承受的压缩量增大，即其金属塑性加强。并且获得的模拟结果300℃下，模型最后两侧鼓形的现象十分明显，与半固态2A10-T6铝合金材料的相关特性存在一定关系，这些为后续问题进一步的研究探索点明了方向。
五、结论
镦粗的Abaqus软件计算机仿真分析蕴含着接触非线性、几何非线性、材料非线性这三种因素的非线性课题。之前在这篇毕业设计之中利用 Abaqus 有限元软件对半固态2A10-T6铝合金镦粗在不同温度下（200℃，250℃，300℃）受到挤压从而产生的变形实施了计算机模拟，完成了针对半固态2A10-T6铝合金镦粗变形的相关仿真，并且分析了关于其所对应的应变和应力问题，得出半固态2A10-T6铝合金试样随着温度升高，所能承受的应力、应变下降，同时压缩量增大，即其金属塑性加强。利用实际触变成形实验所获得的变形力与之前利用计算机Abaqus软件模拟计算获得的变形力进行对比，得出这两个结论中的数据大致相同，体现出该数据仿真模拟结果中真实应力—应变之间的关系具有一定的正确性，即这个模拟实验结果在一定程度上能够将之用于指导实践。
六、结束语
通过这篇毕业设计，我获益良多。感谢查长礼老师的精心指导。在论文的数据仿真模拟和编写都遇上过不少的问题。随着对问题的不断探究与解决，我自身的水平也在逐步提高。本论文的不足之处在于试验过程和参数相对简单；不过这个过程中，每一件事我都努力去做了，虽然遇上了很多困难。但这一过程仍然开阔了我的视野，增长了我的知识。
大学生活就要结束了，感谢各位老师的关照，谢谢！
参考文献
[1]邓辉.镁合金半固态成形技术的研究和发展，热加工工艺[J].2011（23）：9-13
[2]靳彪.基于半固态成形技术泡沫铝孔结构的控制.太原科技大学硕士学位论文[D]，2013.
[3]张毅，杨宇.半固态流变成形技术的应用和发展，铸造技术[J]，2012（4）：456-458.
[4]张发云，黄岚.基于ABAQUS的半固态AZ61合金镦粗成形数值模拟.新余高专学报[J]，2008（6）：88-90.
[5]薛春娥.微塑性成形工艺的发展现状，湖南农机：学术版[J]，2012（9）：94-96.
[6]白越龙，毛卫民，李强.半固态金属充型过程数值模拟技术的研究进展.铸造技术[J]，2004（12）：962-965.
[7]金川，李颖.金属箔板的激光成形技术研究现状及发展前景，南京工业职业技术学院报[J].2012（1）：11-13.
关键词：半固态金属，数值模拟，触变成形，数据对比，温度
一、引言
半固态金属成形技术在现有的各种金属加工成形技术中是极为先进的，它具备凝固收缩很小、对金属最终成形影响较小、偏析小、生产产品的质量相对较高、最终成形等方面的良好特性，因而半固态金属成形工艺在工业上的应用非常普遍[1]。半固态金属加工工艺适合用于具备相对较宽的固液相共存的合金体系[2]。目前，铝合金、镁合金半固态成形工艺已经大致完善，并且在关于实际使用的方面获得了巨大的发展[3]。在材料加工行业中，大部分金属在制备流程中一般为全液态或全固态，而在半固态金属成形过程中，试样是局部融熔的，因此其成形过程中的温度一般处于该种金属的固相线与液相线两者之间，综上所述半固态金属的性质和它的固相体积分数有着紧密的关系，即和温度要素關系紧密[4][5]。按当前情况，半固态金属加工过程的数值仿真模拟总的来说是从两个不同方向进行的：流变成形，触变成形。其中流变成形的模拟是从流体的角度来分析并展开数值仿真模拟的；而触变成形模拟则是从固体角度来分析并且执行加工过程中的数值仿真模拟的。本毕业设计将针对不同温度下的半固态金属触变成形开展仿真分析。
首先利用Abaqus有限元软件对半固态状态下的2A10-T6铝合金镦粗在不同的温度下（200℃，250℃，300℃）受压变形过程进行仿真分析，得出温度与试样压缩高度，应力与应变之间的关系。然后针对仿真分析的结果进行讨论，并为触变成形技术的实际探索提供理论基础。
二、半固态金属成形基础理论
半固态金属成形技术开始是由美国麻省理工学院的弗莱明斯教授以及他所领导的从事相关方面研究探索的科研团队在20世纪70年代的时候发明和创立的。通过强力搅拌正在凝固的半固态金属，对其状态进行进一步钻研，发现经过这类操作之后一些金属材料将会产生球状晶组织或者是近球状晶，由此发明了半固态金属成形技术。半固态金属成形技术的工艺特征：需要用力搅拌正在凝固的金属或者采取一些其他方法调节半固态金属的凝固条件，然后通过这种方法强行令半固态金属无法再产生树枝晶或者是将已经产生的树枝晶再次粉碎，由此产生具备微小，均匀，等轴等性质的初生相平均散布于液相中的悬浮半固态金属浆料。通过这种方法制备的浆料当外力作用在它之上的时候，即使在固相率已经达到60%的情况下。其仍然能够拥有相对较好的触变流动性，因此能够利用压铸、挤压、模锻、铸轧等工艺手段非常方便的对其实行加工成形工作[6]。因为以上半固态金属成形加工技艺的种种优势，使它在实际生产中赢得了一定的应用。
对半固态金属成形过程进行仿真分析，需要采用与该材料对应的表观粘度。其中表观粘度模型的公式如下[7]：
在半固态金属的成形工艺的使用中，与必要注意保证半固态金属材料坯料的供应[8][9]。目前有关半固态金属材料的触变成形工艺已经大致完善，同时从发展情形上看大多数半固态金属流变成形工艺在最近几年中不太可能产生大的技术进步，由此可以看出目前的研究方向应以加快半固态金属触变成形工艺的使用与开发为主，但为了发展的均衡性同时也应该对半固态金属流变成形工艺的发展进行密切的关注。
半固态金属成形中包含有两个非常重要技术，其一是半固态金属浆料的制取工艺，其二则是有关半固态金属坯料的成形技术。浆料制取大多是使用搅拌法亦或者是非搅拌法。其中搅拌法有很多种，机械搅拌法是最先被使用得的一种半固态金属浆料制取办法，它一般是利用搅拌棒、螺旋式搅拌器亦或者是转动的扇叶对融熔体进行搅拌，使半固态金属各个流动层的活动速度各不相等，从而引发足量的剪切应力断裂枝晶，有时候也可以通过促使正在凝结之中的金属液体加快流动，以此破碎枝晶[10]。最终构成弥散状态的球状固相颗粒半固态合金[1][8]。另外一种搅拌法，即电磁搅拌法则是利用电磁修改凝结进程中融熔体的流动、传质和传热等性质，从而使晶粒变得细小[1][8]。除了搅拌制取工艺以外还有就是非搅拌制取工艺，总的来说它大概包括：通过应变从而引导熔体产生活化的方法、喷射沉积法、粉末冶金法、冷却斜槽法、低过热度浇注法等[1][8]。
三、半固态金属成形有限元模型构建
在本毕业设计当中，利用Abaqus/Standard（完全积分）有限元软件模拟2A10-T6铝合金半固态坯料镦粗。首先进行有限元模型的构建，主要包括：几何模型的建立和物理模型的构造，即Abaqus/ Standard预处理，然后开始执行数据后处理。
1.几何模型的建立
在Pro/ ENGINEER三维软件中进行圆柱形铝合金坯料以及上、下模的三维实体模型的构建（如图1所示）先获得‘prt’格式的模型文件，然后将之转变为‘igs’格式的模型文件，并使用Abaqus / Standard前处理器通过其模型输入接口运行‘igs’格式模型，最终得到所需三维实体模型。导出step文件，将step文件导入Abaqus cae中。将三维实体模型中的上、下模设定为刚体，圆柱形铝合金坯料设定为塑性体。在构造三维实体模型时，将上、下模进行简单化，用两个刚性的平面表示，从而使之构建起来更加简单方便，且不会对成形过程的模拟效果产生影响，坯料网格划分，用5×5mm的基本尺寸的网格对坯料进行划分，做出正方体网格，网格类型设置为C3D8R。
2.仿真参数
坯料的步长增量、运动约束、动态、坯料本身材料的特性、坯料边界的条件、模具和坯料相互间的摩擦关系（比如摩擦系数之类的）、加载（加载的应力之类的）、网格划分的种类、振幅的参数以及输出控制的情况参见表1。采用直接加载应力即位移载荷，利用上模的向下位移实现压缩变形，压缩位移为30mm，该模型坯料高100mm。在本毕业设计当中，模拟用的材料是半固态2A10-T6铝合金，关于该半固态金属合金材料的坯料本构关系为在网络上查找数据资料找到的半固态2A10-T6铝合金在压缩变形时的真实应力—应变曲线，即在200℃，250℃，300℃的变形温度以及0.l～1s应变速率情况下半固态2A10-T6铝合金压缩变形的真实应力—应变曲线（如图2所示）。 四、仿真结果与分析
在Abaqus的前处理器中分别构建好三组分别对应200℃，250℃，300℃的幾何模型和物理模型之后，随后产生‘inp’的文件形式，建立文本文档，输入call abaqus job = Part1 200 cpus= 4 int call abaqus job = Part1 250 cpus = 4 int call abaqus job = Part1 300 cpus = 4 int。将文本文档的后缀改成bat，点开提交。提交完成后，开始计算，得到odb结果文件，其结果如图3所示。镦粗是金属成形过程之中的最基本也最常见的一种变形方法，例如模锻、拔长、冲孔、扎制、挤压等诸多加工程序之中都有有关镦粗的使用以及变形，因此探究它有着比较高的代表性。
1.温度与应力模拟结果
由上述结果文件获得的温度与应力应变之间的关系参见表2，由图2以及表2通过分析能够判断出，现实中触变成形的实验所获得的对应的变形力与利用Abaqus软件模拟计算所获得的对应变形力基本一致，在相当程度上体现出仿真模拟获得的应力-应变之间的对应关系具有一定正确性，即模拟所得到的结果在一定程度上能够用来指导相关实践。由模拟的进程以及结果，通过观察可以发现随着温度的上升对应相同应变的应力有所下降。同时当模拟运算进行到一定程度，变形量达到某个极限时，计算机中该软件将中止运算，通过翻阅资料得出这种情况出现在这里或许与其坯料的网格因压力过大而产生相应的畸变有一定关系。
2.温度与压力以及压缩量模拟结果
在图4位移云图和图5主应力云图中能够观察得出（从左到右分别对应200℃，250℃，300℃下所对应的模型），其中第一个也就是在200℃的情况下，该模型所能承受的应力最大，在这个温度下，其能承受1002000N的压力，但其压缩量达到10%即停止。之后是250℃的情况下，其所能承受的最大应力相应有限，只能承受971000N，在变形程度未达15%的情况下，达到极限，进入平衡状态，计算停止，可能是产生了网格崩坏。最后在300℃的情况下，其所能承受的最大应力进一步缩小，在施加的应力达到609000N时，其压缩量达到30%，计算立刻停止，综上所述得出半固态2A10-T6铝合金试样随着温度升高，所能承受的应力、应变下降，同时能承受的压缩量增大，即其金属塑性加强。并且获得的模拟结果300℃下，模型最后两侧鼓形的现象十分明显，与半固态2A10-T6铝合金材料的相关特性存在一定关系，这些为后续问题进一步的研究探索点明了方向。
五、结论
镦粗的Abaqus软件计算机仿真分析蕴含着接触非线性、几何非线性、材料非线性这三种因素的非线性课题。之前在这篇毕业设计之中利用 Abaqus 有限元软件对半固态2A10-T6铝合金镦粗在不同温度下（200℃，250℃，300℃）受到挤压从而产生的变形实施了计算机模拟，完成了针对半固态2A10-T6铝合金镦粗变形的相关仿真，并且分析了关于其所对应的应变和应力问题，得出半固态2A10-T6铝合金试样随着温度升高，所能承受的应力、应变下降，同时压缩量增大，即其金属塑性加强。利用实际触变成形实验所获得的变形力与之前利用计算机Abaqus软件模拟计算获得的变形力进行对比，得出这两个结论中的数据大致相同，体现出该数据仿真模拟结果中真实应力—应变之间的关系具有一定的正确性，即这个模拟实验结果在一定程度上能够将之用于指导实践。
六、结束语
通过这篇毕业设计，我获益良多。感谢查长礼老师的精心指导。在论文的数据仿真模拟和编写都遇上过不少的问题。随着对问题的不断探究与解决，我自身的水平也在逐步提高。本论文的不足之处在于试验过程和参数相对简单；不过这个过程中，每一件事我都努力去做了，虽然遇上了很多困难。但这一过程仍然开阔了我的视野，增长了我的知识。
大学生活就要结束了，感谢各位老师的关照，谢谢！
参考文献
[1]邓辉.镁合金半固态成形技术的研究和发展，热加工工艺[J].2011（23）：9-13
[2]靳彪.基于半固态成形技术泡沫铝孔结构的控制.太原科技大学硕士学位论文[D]，2013.
[3]张毅，杨宇.半固态流变成形技术的应用和发展，铸造技术[J]，2012（4）：456-458.
[4]张发云，黄岚.基于ABAQUS的半固态AZ61合金镦粗成形数值模拟.新余高专学报[J]，2008（6）：88-90.
[5]薛春娥.微塑性成形工艺的发展现状，湖南农机：学术版[J]，2012（9）：94-96.
[6]白越龙，毛卫民，李强.半固态金属充型过程数值模拟技术的研究进展.铸造技术[J]，2004（12）：962-965.
[7]金川，李颖.金属箔板的激光成形技术研究现状及发展前景，南京工业职业技术学院报[J].2012（1）：11-13.