半固态材料触变成形通用本构方程及其优化.pdfVIP

第 43 卷第 10 期 机械工程学报 Vo l.43 No.lO 2007 年 10 月 CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERlNG Oct. 2007 半固态材料触变成形通用本构方程及其优化* 余小鲁李付国李森泉 (西北工业大学材料科学与工程学院 西安 710072) 摘要g 采用半固态成形机理分析和试验研究相结合的方法，建立半固态触变成形的粘塑性本构方程，并提出本构 方程的优化新方法。通过半固态Al-4Cu-Mg 合金的等温压缩试验研究，分析试验数据，得到本构方程中的4 个待 定系数，并以此作为优化设计的初试值。结合本构方程的形式，对其进行特性分析和优化.将含优化变量的本构 方程作为子程序引入到有限元数值模拟中，可以得到对照热模拟试验结果的若干工艺条件下半固态Al-4Cu-Mg 合 金的应力应变曲线。通过比较有限元数值模拟结果和热模拟试验结果可知，利用提出的本构方程优化新方法，不 仅可以剔除热模拟试验数据中几何效应的影响，而且还能准确地描述半固态材料的触变成形规律，从而可以提高 数值模拟的精度与可靠性. 关键词z 半固态触变成形本构方程优化 中固分类号: TGl46.2 0 前言 1 本构方程的建立 半固态加工技术的研究始于20 世纪70 年代， 材料的组织结构随应变、应变速率和温度的变 是由美国 MIT 研究人员首次提出的[1) 0 半固态加工 化而改变。因而以流变曲线上相应的真应力表示的 技术作为一种新型成形技术得到国际上广泛关注， 屈服强度即流变应力应该是应变、应变速率和温度 等参数的函数，即材料本构方程[3) 的一般表达式为 并已成为当今最活跃的研究领域之一.迄今为止， 对低固相体积分数半固态材料的流变行为已进行了 σ =f(e ,t ,T) (1) 式中 σ一一流变应力 大量的研究。但对于高固相体积分数(大于 60%)或 实际应用的触变成形加工[21 ，成形时的流变应力、 g 一一-材料的应变 6 一一应变速率 变形特征和成形性指标等还缺乏深入研究。近年来， T一一材料的温度 物理模拟和数值模拟技术在材料热成形领域获得了 对于半固态材料，一般将其视为非牛顿流体[41 ， 越来越广泛的应用。对于目前流行的有限元数值模 即 拟技术而言，建立精确的本构方程是所有技术中的 中心问题。因此，在触变成形过程中，为了建立具 σ =Kt m*1 (2) 有预测性的材料成形过程模型，必须首先精确地描 式中 K一→强度系数 述材料在热加工条件下的变形性质。 m一一-应变速率敏感指数 就目前己有的主要本构方程而言，大致可分为 由于半固态成形是在固液相区间进行的，固相 两类z 一种是由唯象学观点出发，根据宏观试验结 比(!s)或液相比(到)也是影响流变应力