铜合金循环扩张挤压三维有限元模拟研究毕业论文.doc 39页

'湖南科技大学本科生毕业论文铜合金循环扩张挤压三维有限元模拟研究毕业论文目录第一章绪论11.1铜合金的概况11.1.1铜合金的基本性能11.1.2铜合金的应用11.2剧烈塑性变形的发展现状21.2.1国内研究现状21.2.2国外研究现状21.3deform-3d软件的简介31.3.1deform-3d软件的介绍31.3.2deform-3d有限元模拟技术的研究现状41.4本文选题41.4.1研究内容41.4.2课题研究的意义5第二章有限元模拟试验方案的确定62.1有限元模型的建立62.1.1三维建模和装配62.1.2网格划分62.2模拟参数的设置72.2.1材料参数的设置72.2.2增量步长的控制82.2.3边界条件的处理8第三章铜合金循环扩张挤压结果和数据的分析103.1模拟结果各项性能的分析103.1.1应力分析103.1.2应变分析103.1.3应变速率分析113.1.4流动速率分析12ii 湖南科技大学本科生毕业论文3.1.5组织破坏分析123.1.6最大应力分析133.2挤压速率对挤压结果的影响133.2.1挤压速率对等效应变的影响143.2.2挤压速率对等效应力的影响143.2.3挤压速率对应变率的影响153.2.4挤压速率对组织破坏的影响163.2.5挤压速率对最大应力的影响173.2.6挤压速率对法向压力的影响173.2.7挤压速率对平均应力的影响183.3挤压温度对挤压结果的影响193.3.1挤压温度对等效应变的影响193.3.2挤压温度对等效应力的影响203.3.4挤压温度对流动速率的影响223.3.5挤压温度对组织破坏的影响243.3.6挤压温度对最大应力的影响243.3.7挤压温度对法向压力的影响253.3.8挤压温度对平均应力的影响263.4摩擦系数对挤压结果的影响273.4.1摩擦系数对等效应变的影响273.4.2摩擦系数对等效应力的影响283.4.3摩擦系数对应变率的影响293.4.4摩擦系数对流动速率的影响303.4.5摩擦系数对组织破坏的影响313.4.6摩擦系数对最大应力的影响323.4.7摩擦系数对法向压力的影响333.4.8摩擦系数对平均应力的影响34第四章结论35参考文献36致谢37ii 湖南科技大学本科生毕业论文第一章绪论1.1铜合金的概况1.1.1铜合金的基本性能1.导电、导热性铜最好的品质是具有很好的导电、电热性能，导电性仅次于银，但铜比金、银的地球存储量丰富，价格实惠。2、耐腐蚀性铜合金具有很好的耐腐蚀性能，比普通钢材要好，在碱性气体中，它比铝要好。铜特别能承受空气腐蚀，因为它的表面可以生成一层由碱性硫酸铜构成的防护薄[1]。不含二氧化碳和氧气的水对铜根本不起反应。铜在普通淡水里的腐蚀的很慢。3、良好的塑性铜合金有良好地塑性变形性能，它可以在各种状态下进行塑性成形，如冲压、拉伸、挤压、锻造等。4、特殊性能特殊性能含有：(1)良好的焊接性：它可以进行较多方式的焊接。(2)良好的电镀性：它的表层不仅能作结构抛光，电镀到其他易磨金属表面，而且可以进行有机物镀层或化学染色。(3)杀菌性：铜可以有效抑制细菌的繁殖，因此铜还广发用作日常管道、厨具等。(4)修饰性：铜合金自身颜色为红色，也叫古铜色，不仅庄严，还典雅。铜拥有良好的导热性，较低的电阻率，是所有金属材料中性能最优秀的材料之一，不仅如此，铜还有许多优良的各种性能：它对空气、海水、土层以及许多化学层物质有很强的耐腐蚀性能；它富有良好的弹性，较好地抵抗磨损，较好地耐摩擦性能；同时，它能拥有丰富多彩的外貌，是人们喜欢的、既朴素又高雅的标志。除了以上说的许多应用性能外，铜还有许许多多良好的挤压、熔铸、焊接、冲压等加工性能。1.1.2铜合金的应用在各种常见金属材料中，铜和铜合金的使用仅次于钢和铝两种金属，是重要的金属材料。金属铜，元素符号是Cu，原子量是64，熔点较高，是1084.5℃，目前，它经过火法冶炼或湿法冶炼过后，就可以得到粗铜，再经过电解就得到铜合金[2]。铜是与人们日常生活关系很密切的常用金属，它已经被广泛地存在于电子、轻工业、机械制造、建筑行业、国防制造工业等相关领域，它的年消费量非常大，在有色金属中仅次于铝。铜在电气、电子制造工业中需求最多、应用最广，占它的总消费量50%以上。用于制造各种电缆和电线，业经常用于制造电机和变压器的缠绕电阻、开关以及各种电路板等。在机械制造和交通运输制造中，铜常常用于生产各种工业阀门及机械配件、滑动轴承、机器热交换器等。在化学工业生产中，它广泛应用于生产真空器、蒸馏锅和反应锅等。在国防事业中，铜有着不可磨灭的贡献，它广泛用于生产子弹、炮弹、武器零件等。-37- 湖南科技大学本科生毕业论文在建筑行业中，铜常常用于制造各种各样的管道、管件配件、装饰品等。由于它的许多优良性能，它被广泛地应用于电缆线、接件、引线框等，从而经常用于电气、电力、通讯和电子加工方面。它还是各种换热机械如热转换器、冷凝器的主要材料，它经常被应用制造辅机、空调、制冷设备、太阳能集热的栅板、提炼海水以及医药器材、冶炼等各种换热情况。此外，铜合金还被广泛用于基建屋顶板、防水管、上下通水管、医疗器材、反应容器、过滤网；用于冲裁各类硬币、装修、奖牌奖杯、雕像和工艺品等。1.2剧烈塑性变形的发展现状进入20世纪以来，许多学者在研究中发现超细晶材料表现出很多非同一般的物理、化学性能[3]。超细晶材料拥有良好的韧性，较高的强度和较高的比热。因此，对超细晶材料进行试验是许多学者的研究方向。剧烈塑性变形（SPD）[4]是当今世界最受关注的超细晶材料生产方法之一，在确保试样成型前后几何尺寸大致不变的前提下，对金属材料进行剧烈变形，使材料晶粒细化。南京理工大学的董月成[5]对超细晶纯铜的动态力学性能进行了研究，通过组织观察表明，ECAP变形可以有效细化晶粒，晶粒尺寸随ECAP道次的增加呈现减小的趋势，其中1P后最为明显。ECAP变形后，超细晶纯铜的强度得到改善。合肥工业大学的周明智[6]对粉末多孔材料等通道转角挤压进行了模拟和实验研究，研究表明，模具通道内角是影响挤压效果的重要因素，采用较小的模具内角有利于提高金属材料整体流动的均匀性、获得高致密度及大剪切变形量，但过小的内角会导致外角处形成流动死区，对挤压变形效果不利。1.2.1国内研究现状兰州理工大学的郭亭彪[7]对ECAP制备超细晶铜的组织演变、织构特征及力学性能进行了研究分析，在ECAP中纯铜组织发生再结晶的体积分数与变形路径和应变量有关，模具角度对材料组织的演变影响较大，较小的模具角度不仅能够有效的细化晶粒，而且能够大幅度提高材料的组织均匀性。兰州理工大学的唐向前[8]对纯铜等径角挤压过程进行了模拟研究，ECAP成形过程中，在材料内部各处的等效应力是不均匀的，最大等效应力集中在模具转角靠近下模模壁处即材料发生塑性变形的通道转角处。在模具剪切变形区域内，应变速率最大。而且，随着挤压过程的进行，新生动态再结晶晶粒尺寸增大，但是由于挤压过程变形的分布不均匀性，导致试样中新生的动态再结晶晶粒的分布也不均匀。1.2.2国外研究现状Alihosseini[9]等提出了循环前后挤压(CFBE)技术。与之相似的是Zangiabadi[10]-37- 湖南科技大学本科生毕业论文提出了管通道挤压（TCP).2010年，Shahbaz[11]等提出了涡流挤压，此方法改进了传统挤压模，通过螺旋通道，在挤压时引入特殊的扭转应变。1.3deform-3d软件的简介1.3.1deform-3d软件的介绍deform-3d有限元分析系统是一款特定用于材料塑性加工成型分析的软件[12]。它通过在电脑上模拟整个成型全过程，可以大大地减少昂贵的实际试验成本，有效地提高模具设计的效率，从而大大地降低加工和所需要的材料的成本，更快地缩短新产品的探索和研发周期。1、deform-3d有限元分析软件的主要功能一般情况，它可以分析冷、温、热锻的加工和热传导情况，也可以分析液压加工、锤上加工、螺旋压力加工和机械压力加工在各种情况下的数据和特点，deform3d软件功能比较强大，它还可以用于温度、应力和应变等值线的绘制，同时，也可以用于模拟渗碳、正火、回火、淬火、退火等加工过程，还可以用于模拟估计硬度、含碳量和晶粒组织成分。2、deform-3d基本操作与方法deform-3d包括前处理程序、模拟程序和后处理程序[13]。首先要在CAD软件（如Pro/E、UG等）中画出三维实体模型，设置模具和模型的基本信息，同时将它转换成对应符合要求的格式（STL）；然后在软件中，设置加工过程的对应模拟信息，进行网格划分；再在应用软件上开展数据模拟计算；最后在后处理环节中，将计算出来的数据按需要逐步输出。实际上，因为设定了冷加工成形、模型材料和模具等信息后，加工环境条件差不多全部是系统默认的，所以只要你熟悉了软件操作方法，每一步按照要求操作就可以很快地做好预设置工作；设定完成后，通过数据检查、生成数据库，同时将数据保存，最后关闭操作；接着打开模拟开关，运行模拟程序，开始看到模拟界面，模拟程序就会自动运算，在模拟运算过程中，可以点击模拟图表观看模拟运算进程，并且进行图解运算分析，对加工变形过程、应力、应变、位移和速率等进行查看。运行后处理器，分析演示加工变形过程，同时也可以打开动画控制按钮，隐藏掉工（模）具，进行动画模拟演示。并且同时还可点击概要和图表，对工件的载荷、应力状况、应变状况、位移和速率情况等进行比较详细的分析计算。3、deform-3d软件不仅可以通过在电脑上模拟运行整个成形过程，还可以帮助设计师和工程人员：1、设计工具并模拟加工流程，降低昂贵的实际试验成本；2、提高工件的模具设计效率，降低工件制造和加工材料的成本；-37- 湖南科技大学本科生毕业论文3、大大地减少新产品的探索和研发时间。1.3.2deform-3d有限元模拟技术的研究现状有限元法是主要依据变分原理求解数学问题的一种数值计算方法[14]。由于采用了各种各样的边界条件，对工件的形状差不多没有什么要求，同时求解精度较高，因而得到了很好的应用。有限元法在上世纪40年代提出，通过研究人员的不断完善，从开始起源于结构理论、发展到研究连续体力学场问题，从主要静力分析到应用于波动问题、稳定问题和动力问题。随着计算机技术的迅速发展，它为解决复杂的工程技术问题，帮助设计人员更好更快地设计合理可行的方案。一般而言，目前的计算方法由于材料之间本构关系，模具及工件的形状和摩擦条件等复杂性和限制性，很难获得比较精确的解析解。所以一般采用假设、简化、近似、平面化等方法处理，计算结果与实际情况差距比较大，因此实际应用时很不方便。有限元数值模拟的目的与重大意义是为计算复杂的变形力、验证计算工模具的强度和设计合理可行的工艺方案提供切实依据[15]。通过数值模拟研究人员可以获得符合实际的金属变形的规律，包括速率场、应力和应变场的分布规律，还有载荷-行程曲线。所以，通过对模拟结果的清楚真实分析，我们就可以在已经有的模具设计上预计金属的流动规律，包括可能的缺陷的产生。研究人员采用得到的力边界条件对模具分析，从而改善模具设计方案，增大模具设计的合理性和模具的使用周期，大大地减少模具重新试验的次数。通过模具模拟设计，可以充分方便地检验模具设计的合理性，大大缩短新产品模具的研制开发时间，更快速地满足用户的需求，从而提高产品在市场上的竞争力。1.4本文选题1.4.1研究内容根据前面内容阐述可知，随着三维有限元模拟技术的快速发展，成形模拟试验已经拓展应用到了各个实践方面，计算机三维模拟分析在探索分析金属加工变形这方面的研究将获得更为宽广的拓展空间。经过模拟分析，分析铜合金在循环扩张挤压成形过程中宏观力学表现和微观内部组织的变化，揭示它们相互之间的关系：应用模拟仿真，优化铜合金挤压工艺参数、设计挤压成形工艺，达到控制铜合金挤压制品的质量和目的，为铜合金挤压工艺和模具设计制造提供切实可靠地数据。这些是挤压变形过程全面模拟的最新问题，它对解决目前的探索推广问题，减少新产品和新工艺的研发时间，降低研究成本，提高产品生产效率和质量都是具有重大意义的。如何控制循环挤压的模拟挤压速率，丰富模拟挤压的温度，也将是本次实验继续延伸的方向。因此，本实验把挤压技术的研究和DEFORM软件的应用结合起来，研究铜合金的挤压变形过程。在本次实验研究内容主要如下：-37- 湖南科技大学本科生毕业论文1、工艺参数(如：挤压速率、摩擦系数、挤压温度等)对流变方式、变形行为的影响2、应力分析3、应变分析4、定点追踪分析(应力应变情况，不同条件定点追踪)5、温度、摩擦力、挤压速率对挤压力的影响6、速率、应变速率7、温度分析在给定的工艺参数前提下，应用DEFORM软件，分析铜合金挤压的应力、应变状态，考察模具、工件温度变化；并通过与已经有的铜合金挤压实验数据对比分析，验证模拟实验的准确性。通过模拟实验，为铜合金的挤压实际生产和工艺方案提高有价值的参考依据，为指导挤压生产和开发新型的铜合金产品提供了有价值的实验数据。1.4.2课题研究的意义本论文主要对铜合金进行循环扩张挤压的模拟研究，目前有很多三维有限元模拟对金属成形进行研究，探究成形过程中金属的性能。铜合金循环扩张挤压的三维有限元模拟研究有以下重要意义：1、可以方便地研究铜合金循环扩张挤压过程中的各项特征变化。2、可以方便地研究单个因素对成形过程的影响。3、可以为相关的实际试验和生产提供有效的依据。4、可以避免直接用材料试验，减少试验的各项成本。5、可以探索发现可能尚未发现的成形规律。-37- 湖南科技大学本科生毕业论文第二章有限元模拟试验方案的确定2.1有限元模型的建立2.1.1三维建模和装配利用三维造型软件Pro/E来创建模拟中所需要的实体，本次模拟中的5mm×10mm长方体铜条，利用Pro/E中的“保存副本”功能将文件类型转换为“STL”格式。将STL格式的文件导入到DEFORM-3D中，然后利用DEFORM-3D中强大的网格划分功能对几何模型进行网格划分。在DEFORM-3D中，可以很方便的根据输入的模型的几何特点将其分成所需要的网格数，以保证模拟的精度。划分好网格的几何模型后，在DEFORM中进行初始条件、边界条件、摩擦条件、网格重划分标准的设置等前处理工作；然后提交DEFORM软件进行模拟计算。由于DEFORM-3D缺少集合造型模块，因此，几何造型是在三维造型软件Pro-E中建立的，通过数据转换系统，将几何模型加载到有限元软件DEFORM-3D中。在几何建模过程中，每一个零件都有自己的坐标系，在模型中彼此独立。所以，需要进行装配建模，在全局坐标系中确定各零件间的初始相对位置关系。工件几何尺寸为5mm×10mm，模具入口与出口是垂直关系。有限元模型装配示意图2.1所示：图2.1有限元挤压模拟装配图2.1.2网格划分划分网格是建立有限元模拟的一个重要步骤，通常情况下，-37- 湖南科技大学本科生毕业论文网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量时应权衡两个因素综合考虑。网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据的分布特点。在计算数据变化梯度较大的部位(如应力集中处)，为了较好地反映数据变化规律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的部位，为减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格。这样，整个结构便表现出疏密不同的网格划分形式。通常情况下，网格数量由给定的实体表面所划分的单元数目和网格密度参数两方面来确定。本文利用deform-3d网格划分技术将工件划分为20000个单元格，为了防止网格变形严重形成畸变，采用网格自动重划分技术本文对挤压件的划分。对于上模，需要设置挤压速率，本次模拟中考虑CuC2copper铜合金的特点，需要设置较大的挤压速率，所以设置为500mm/sec。图2.2铜合金挤压件的网格划分和上模运动设置2.2模拟参数的设置2.2.1材料参数的设置本次模拟采用的坯料是CuC2Copper铜合金杆，模拟使用的软件是deform-3dver6.1,循环扩张挤压的初始温度是20℃，上模和下模的初始温度也是20℃。上模运动20步。每4步记录一次，每次运动0.6mm,运动方向-Z轴，速率500mm/sec。-37- 湖南科技大学本科生毕业论文图2.3材料库选择材料2.2.2增量步长的控制在DEFORM-3D中，模拟过程计算步长的大小可以通过时间步长或者位移步长来定义。如果定义加载步长为位移步长，那么每一个加载步长内，主动模具运动的位移就是确定的，因此整个过程主动模的总位移量就等于位移步长乘以总的加载步数。而如果定义加载步长为时间步长，那么主动模的总位移量就等于时间步长乘以模具运动速率。本文采用位移增量步长来控制挤压件的运动。考虑到保证模拟的顺利进行及计算的速率，将每道次步长设置为20步，每步的行程为0.6mm。图2.4模拟控制窗口2.2.3边界条件的处理在DEFORM软件中，对所建立的有限元模型，由于在Pro-E建模时就已经设置好位置关系，所以导入deform-3d-37- 湖南科技大学本科生毕业论文后就不需要移动调整工件和模具的位置。金属塑性成形过程中的摩擦是一个及其复杂的过程。工件变形时在与模具接触面上受到的摩擦力，对金属材料流动模型、工件几何尺寸及内部缺陷、模具受力状态和总载荷、总能量都有很大的影响作用。本文根据材料参数数据，模拟的工件是铜合金，工件考虑其热刚粘塑性变形，变形的初始温度是20℃，工件和模具间的摩擦系数是0.12。图2.5挤压件边界条件的设置-37- 湖南科技大学本科生毕业论文第三章铜合金循环扩张挤压结果和数据的分析3.1模拟结果各项性能的分析3.1.1应力分析工件内部的应力分布和大小和它所受到的载荷和温度密切有关，同时也与零件的形状、大小和材料本身物理性质相关。图3.1为挤压件的等效效应力曲线图和应力场分布图，试验中在挤压件上从下到下选取P1、P2、P3三个点，由图可知，P1和P2两点的应力增速较慢，开始一直处于较低的应力状态，之后P1和P2点应力都有大幅增长，P1点最高应力496MPa，P2点最高应力为656MPa，未膨胀部分应力水平一直较低；P3点位于循环扩张挤压区域，挤压一开始，它的应力迅速增大，达到一定高的水平后，增速逐渐缓慢，然后慢慢达到最高值，P3点应力的最终值为568MPa，这说明了在循环扩张挤压过程中，扩张挤压区域组织应力迅速增大，之后增速放缓，然后达到较高的应力水平。也说明了挤压膨胀区域的内部应力比一般区域大。图3.1挤压件的等效应力曲线图和应力场分布图3.1.2应变分析图3.2是挤压件的应变曲线图和应变场分布图，试验中在挤压件上从下到下选取P1、P2、P3三个点，由曲线图可知，在循环扩张挤压的整个过程中，位于非膨胀区的P1点应变水平一直很低，从开始到结束只增加了一点点，几乎处于零应变的状态。但位于膨胀区的P2和P3-37- 湖南科技大学本科生毕业论文点则完全不同，该点开始挤压瞬间不久，应变水平开始大幅提升，几乎以线性比例增长，下面挤压膨胀区域迅速变形，随着应力的增大迅速向两边扩张，最后P2点应变值不断增长达到了1.31mm/mm的高值。很明显，循环扩张挤压区域的应变增速快，应变值很大。图3.2挤压件的应变曲线图和应变场分布图3.1.3应变速率分析图3.3是挤压件的应变速率曲线分布图和应变速率场分布图，试验中在挤压件上从下到下选取P1、P2、P3三个点，由曲线图可知，在循环扩张挤压的整个过程中，位于非膨胀区的P1点应变速率一直很低，最后才稍微增长了一点点。P2、P3两点在扩张挤压膨胀区，P3先受到挤压膨胀，也先出现波峰，之后波峰波谷交替进行。P2点也在膨胀区，所受应力不断增大，应变也增大，应变速率也不断增大，所以在P3点出现波峰之后，P2点随之也出现波峰。挤压过程中P2点的应变速率最大达到了近140。所以，扩张挤压区域的应变率呈高低交替变化，非扩张挤压区域的应变率基本一直处于低水平。图3.3挤压件的应变速率曲线分布图和应变速率场分布图-37- 湖南科技大学本科生毕业论文3.1.4流动速率分析图3.4是挤压件的流动速率分布图，试验中在挤压件上从下到下选取P1、P2、P3三个点，由曲线图可知，P1、P2两点最接近初始速率，都很大，P1、P2点速率差不多480mm/sec，P3点速率在挤压开始后逐渐下降，直至挤压成型结束降至215mm/sec，P2点在随后也下降，最终降至246mm/sec，P1点由于一直未膨胀，速率始终基本持平，最终也保持486mm/sec。非挤压区的流动速率一直保持在比较高的水平，挤压区的流动速率逐渐变小。图3.4挤压件的流动速率图3.1.5组织破坏分析图3.5是挤压件的组织破坏图，试验中在挤压件上从下到下选取P1、P2、P3三个点，由曲线可知，其中，P1、P2两点的组织破坏很小，在最后挤压成形时，这两点才逐渐出现组织破坏，但上升量很小；然而，看P3点的组织破坏曲线图，P3点位于扩张挤压区域，该点组织破坏迅速增大，增长速率很大，直到最后增长到了0.105.-37- 湖南科技大学本科生毕业论文图3.5挤压件的组织破坏图3.1.6最大应力分析图3.6是挤压件的最大应力曲线图和最大应力场分布图，试验中在挤压件上从下到下选取P1、P2、P3三个点，P1点的最大应力值在挤压过程中逐步下降，P2点的最大应力先减小，后面逐渐又上升，P3点的最大应力开始下降了一点，然后增大，增大到一定值后迅速下降，直到挤压结束降到一定值。所以整个过程非挤压区最大应力一直下降，最下面的挤压区先升高后下降，中间挤压区域的最大应力值波动较大。图3.6挤压件的最大应力曲线图和最大应力场分布图3.2挤压速率对挤压结果的影响采用循环扩张挤压成形研究了铜合金的成形性能．分析了成形过程中挤压速率-37- 湖南科技大学本科生毕业论文对应力和应变等特征的影响[16]。本组模拟采用控制变量法模拟研究，分别设置了三组挤压速率进行模拟，大小分别为500mm/s、1000mm/s和1500mm/s,其余控制参数都相同，逐一分析挤压速率对每一项特征的影响。3.2.1挤压速率对等效应变的影响图3.7为不同挤压速率下的应变图。从图中可以看出，当挤压速率大小分别为500mm/s、1000mm/s和1500mm/s时,P1点的应变分别为0.618、0.517、0.455，P2点的应变分别为1.31、1.3、1.19，P3点的应变分别为0.905,、0.977、0.903，所以根据曲线及数据可知，总体上来说，随着挤压速率的增大，应变逐渐变小。c)b)a)图3.7不同挤压速率下的应变图a)500mm/s；b)1000mm/s；c)1500mm/s3.2.2挤压速率对等效应力的影响图3.8是不同挤压速率下的应力曲线图，对比分析可以知道，随着挤压速率的增大，应力也会逐渐增大，应力增长的速率也会变快，但超出一定范围后会随着挤压速率的增大而减小。-37- 湖南科技大学本科生毕业论文c)b))a)图3.8不同挤压速率下的应力图a)500mm/s;b)1000mm/s;c)1500mm/s3.2.3挤压速率对应变率的影响图3.9不同挤压速率下的应变率图，对比分析可以知道，挤压速率对应变率有较大影响，应变率波峰增大。P1点位于非膨胀区域，应变量一直比较小，但从P1点的最终值13.6到18.8，再增加到77.5，也说明了应变率在增大。P2、P3点位于膨胀区，曲线变化大致一样，但波峰值增大了不少。所以，总体上，随着挤压速率的增大，应变率也增大，在挤压膨胀区域更加明显。b)a)-37- 湖南科技大学本科生毕业论文c)图3.9不同挤压速率下的应变率图a)500mm/s；b)1000mm/s；c)1500mm/s3.2.4挤压速率对组织破坏的影响图3.10是不同挤压速率下的组织破坏图，对比分析可知，P1点位于非挤压膨胀区，挤压速率越大，组织破坏越微弱，对于P2、P3两点，在挤压速率分别为500mm/sec、1000mm/sec和1500mm/sec时，P2点的最终组织破坏分别为0.062、0.0448和0.055，P3点的最终组织破坏分别0.105、0.0829和0.181，所以，由曲线变化及数据可以知道，在扩张挤压区域，随着挤压速率的增大，组织破坏减弱，当达到一定速率时，挤压速率再增加，组织破坏逐渐明显。c)b))a)c)图3.10不同挤压速率下的组织破坏图a)500mm/s;b)1000mm/s;c)1500mm/s-37- 湖南科技大学本科生毕业论文3.2.5挤压速率对最大应力的影响图3.11是不同挤压速率下的最大应力图，对比分析可知，在挤压速率分别为500mm/sec、1000mm/sec和1500mm/sec时，P1点的最终最大应力分别为887MPa、989MPa、932MPa，P2点的最终最大应力分别为112MPa、161MPa、271MPa，P3点的最终最大应力分别为749MPa、843MPa、774MPa。所以，由图上曲线变化及数据可以知道，在一定范围内，随着挤压速率的增大，工件的最大应力也增大，但超出一定范围后，挤压速率增大，工件的最大应力会逐渐减小。a)b)c)图3.11不同挤压速率下的最大应力图a)500mm/s；b)1000mm/s；c)1500mm/s3.2.6挤压速率对法向压力的影响图3.12是不同挤压速率下的法向压力图，在挤压速率分别为500mm/sec、1000mm/sec和1500mm/sec时，P1点的最终法向压力分别为1800、1870、1690，P2点的最终法向压力分别为172、688、113，P3点的最终法向压力分别为1070、1040、1010。对比分析可知，随着挤压速率的增大，法向应力先增大然后后逐渐变小。-37- 湖南科技大学本科生毕业论文b)a)c)图3.12不同挤压速率下的法向压力图a)500mm/s；b)1000mm/s；c)1500mm/s3.2.7挤压速率对平均应力的影响图3.13是不同挤压速率下的平均应力图，在挤压速率分别为500mm/sec、1000mm/sec和1500mm/sec时，P1点的最终法向压力分别为1620MPa、1830MPa、1560MPa，P2点的最终法向压力分别为519MPa、651MPa、530MPa，P3点的最终法向压力分别为932MPa、914MPa、890MPa。由曲线和数值可知，随着挤压速率的增大，平均应力增大，增大到一定值后，平均应力随着挤压速率的增大减小。a)b)-37- 湖南科技大学本科生毕业论文c)图3.13不同挤压速率下的平均应力图a)500mm/s；b)1000mm/s;c)1500mm/s3.3挤压温度对挤压结果的影响为了研究温度对铜合金扩张挤压的影响，采用循环扩张挤压成形研究了铜合金的成形性能．分析了成形过程中温度对应力和应变等特征的影响。本组模拟采用控制变量法模拟研究，分别设置了三组温度进行模拟，大小分别为600℃、700℃、800℃,其余控制参数都相同，逐一分析温度对每一项特征的影响。3.3.1挤压温度对等效应变的影响图3.14不同挤压温度下的等效应变图，在挤压温度分别为600℃、700℃、800℃时，P1点的最终等效应变分别为0.138、0.233、3.04，P2点的最终等效应变分别为1.16、1.15、1.66，P3点的最终等效应变分别为1.07、1.04、1.44。由曲线变化及数据可知，随着温度度的升高，等效应变逐渐增大。-37- 湖南科技大学本科生毕业论文c)b)a)图3.14不同挤压温度下的等效应变图a)600℃;b)700℃;c)800℃3.3.2挤压温度对等效应力的影响图3.15不同挤压温度下的等效应力图，在挤压温度分别为600℃、700℃、800℃时，P1点的最终等效应力分别为358MPa、395MPa、713MPa，P2点的最终等效应力分别为631MPa、649MPa、692MPa，P3点的最终等效应力分别为592MPa、591MPa、608MPa。由曲线变化及数据可知，总体上，随着温度的升高，等效应力逐渐增大。-37- 湖南科技大学本科生毕业论文c)a)b)图3.15不同挤压温度下的等效应力图a)600℃;b)700℃;c)800℃3.3.3挤压温度对应变速率的影响图3.16是不同挤压温度下的应变速率图，在挤压温度分别为600℃、700℃、800℃时，P1点的最终应变速率分别为41.8、1.46、50.5，P2点的最终应变速率分别为77、104、72.2，P3点的最终应变速率分别为10.8、11.4、2.17。由曲线变化及数据可知，总体上，随着温度的升高，应变速率逐渐增大。a)b)-37- 湖南科技大学本科生毕业论文c)a)图3.16不同挤压温度下的应变率图a)600℃;b)700℃;c)800℃c)b)a)图3.17不同挤压温度下的应变率图a)600℃;b)700℃;c)800℃3.3.4挤压温度对流动速率的影响图3.18是不同挤压温度下的流动速率图，在挤压温度分别为600℃、700℃、800℃时，P1点的最终速率分别为491mm/sec、487mm/sec、506mm/sec，P2点的最终速率分别为230mm/sec、239mm/sec、140mm/sec，P3点的最终速率分别为245mm/sec、243mm/sec、94.4mm/sec。由曲线变化及数据可知，总体上，随着温度的升高，流动速率逐渐增大。-37- 湖南科技大学本科生毕业论文c)a)b)图3.18不同挤压温度下的流动速率图a)600℃;b)700℃;c)800℃c)b)a)图3.19不同挤压温度下的流动速率图a)600℃;b)700℃;c)800℃-37- 湖南科技大学本科生毕业论文3.3.5挤压温度对组织破坏的影响图3.20是不同挤压温度下的组织破坏图，在挤压温度分别为600℃、700℃、800℃时，P1点的最终组织破坏分别为0.0015、0.00806、0.528，P2点的最终组织破坏分别为0.0188、0.0247、0.00851，P3点的最终组织破坏分别为0.0559、0.0609、0.0537。随着温度的升高，组织破坏先增大后逐渐减小。c)b)a)图3.20不同挤压温度下的组织破坏图a)600℃;b)700℃;c)800℃3.3.6挤压温度对最大应力的影响图3.21是不同挤压温度下的最大应力图，在挤压温度分别为600℃、700℃、800℃时，P1点的最终最大应力分别为1590MPa、1370MPa、3430MPa，P2点的最终最大应力分别为331MPa、64.1MPa、2570MPa，P3点的最终最大应力分别为556MPa、617MPa、3160MPa。由曲线变化及数据可知，随着温度的升高，最大应力先减小后逐渐增大。-37- 湖南科技大学本科生毕业论文b)c)a)图3.21不同挤压温度下的最大应力图a)600℃;b)700℃;c)800℃3.3.7挤压温度对法向压力的影响a)b)图3.22是不同挤压温度下的法向压力图，在挤压温度分别为600℃、700℃、800℃时，P1点的最终法向压力分别为1790、1750、2160，P2点的最终法向压力分别为820、584、2180，P3点的最终法向压力分别为1040、1120、3830。由曲线变化及数据可知，总体上，随着温度的升高，法向压力逐渐增大。-37- 湖南科技大学本科生毕业论文c)图3.22不同挤压温度下的法向压力图a)600℃;b)700℃;c)800℃3.3.8挤压温度对平均应力的影响图3.23是不同挤压温度下的平均应力图，在挤压温度分别为600℃、700℃、800℃时，P1点的最终平均应力分别为1660MPa、1620MPa、3860MPa，P2点的最终平均应力分别为660MPa、437MPa、2900MPa，P3点的最终平均应力分别为917MPa、971MPa、3420MPa。由曲线变化及数据可知，总体上，随着温度的升高，平均应力逐渐增大。b)a)c)图3.23不同挤压温度下的平均应力图a)600℃;b)700℃;c)800℃-37- 湖南科技大学本科生毕业论文3.4摩擦系数对挤压结果的影响在挤压过程中，试样与模具之间总是存在摩擦力的，摩擦系数的不同就决定了不同的摩擦力，摩擦离得大小直接影响挤压的难易程度和工件应力应变等情况[17]。它的存在不但影响塑性变形区的区域分布,而且对工件在扩张挤压过程中的成形方式和成形的均匀性都会有不同成都的影响，从而对循环扩张挤压过程中的挤压力产生影响，并且，它对在挤压过程中产生的应变量以及对工件的变形程度，产生不同的影响。当有摩擦力时,因为存在工件与模具之间的摩擦力，所以大大的增加了成形需要的挤压力，同时工件材料在挤压通道接触的平面周围，产生一扇形区域,在有些地方不产生塑性变形，它只在扇形区域内才发生塑性变形，所以导致材料在挤压下模内变形不均匀，得不到均匀的内部微观组织；当没有摩擦力时，工件只在型腔接触的平面处产生单纯的剪切变形，工件材料各处变形程度较均匀。为了研究摩擦系数对铜合金扩张挤压的影响，采用循环扩张挤压成形研究了铜合金的成形性能．分析了成形过程中温度对应力和应变等特征的影响[18]。本组模拟采用控制变量法模拟研究，分别设置了三组摩擦系数进行模拟，大小分别为0.12、0.18、0.24，其余控制参数都相同，逐一分析摩擦系数对每一项特征的影响。3.4.1摩擦系数对等效应变的影响图3.24是不同摩擦系数下的等效应变图，对比分析可知，在摩擦系数分别为0.12、0.18和0.24时，P1点的最终等效应变分别为0.602、0.345、0.618，P2点的最终等效应变分别为1.15、0.912、1.31，P3点的最终最大应力分别为0.806、0.672、0.905。所以，由图上曲线变化及数据可以知道，总体上来说，随着摩擦系数的增大，工件的等效应变先减小后逐渐增大。b)a)-37- 湖南科技大学本科生毕业论文c)图3.24不同摩擦系数下的等效应变图a)0.12；b)0.18；c)0.243.4.2摩擦系数对等效应力的影响图3.25是不同摩擦系数下的等效应力图，对比分析可知，在摩擦系数分别为0.12、0.18和0.24时，P1点的最终等效应力分别为496MPa、511MPa、515MPa，P2点的最终等效应力分别为656MPa、632MPa、604MPa，P3点的最终等效应变分别为568MPa、556MPa、528MPa.所以，由图上曲线变化及数据可以知道，P1位于非扩张挤压区，随着摩擦系数的增大，等效应力逐渐增大；P2、P3两点位于扩张挤压区域，随着摩擦系数的增大，工件的等效应力减小。b)a)c)-37- 湖南科技大学本科生毕业论文图3.25不同摩擦系数下的等效应力图a)0.12；b)0.18；c)0.243.4.3摩擦系数对应变率的影响图3.26是不同摩擦系数下的温度曲线图，在摩擦系数分别为0.12、0.18和0.24时，P1点的应变率分别为13.6、35.7、52，P2点的应变率分别为88.8、52.9、88.4，P3点的最终应变率分别为12.5、10.3、9.81。所以，由图上曲线变化及数据可以知道，P1位于非扩张挤压区，随着摩擦系数的增大，应变率逐渐增大[19]；P2点位于扩张挤压区域，随着摩擦系数的增大，工件的应变率先减小后增大；P3点是下端扩张挤压区域，随着摩擦系数的增大，应变率一直减小。所以，越是非扩张挤压区域，随着摩擦系数的增大，应变率越呈上升趋势；越是扩张挤压区域，随着摩擦系数的增大，应变率越呈下降趋势。a)b)c)图3.26不同摩擦系数下的应变率图a)0.12；b)0.18；c)0.24-37- 湖南科技大学本科生毕业论文c)b)a)图3.27不同摩擦系数下的应变率图a)0.12；b)0.18；c)0.243.4.4摩擦系数对流动速率的影响图3.28是不同摩擦系数下的流动速率曲线图，对比分析可知，在摩擦系数分别为0.12、0.18和0.24时，P1点的流动速率分别为486mm/sec、420mm/sec、425mm/sec，P2点的流动速率分别为246mm/sec、183mm/sec、225mm/sec，P3点的流动速率分别为215mm/sec、173mm/sec、153mm/sec。所以，由图上曲线变化及数据可以知道，P1位于非扩张挤压区，随着摩擦系数的增大，流动速率先增大后减小；P2点位于扩张挤压区域，随着摩擦系数的增大，工件的流动速率先减小后增大；P3点是下端扩张挤压区域，随着摩擦系数的增大，流动速率一直减小。一般情况下，随着摩擦系数的增大，流动速率先减小后增大；当摩擦系数增大到一定程度时，流动速率随之一直减小。b)a)-37- 湖南科技大学本科生毕业论文c)图3.28不同摩擦系数下的流动速率图a)0.12；b)0.18；c)0.24c)b)a)图3.29不同摩擦系数下的流动速率图a)0.12；b)0.18；c)0.243.4.5摩擦系数对组织破坏的影响图3.30是不同摩擦系数下的组织破坏曲线图，对比分析可以知道，在摩擦系数分别为0.12、0.18和0.24时，P1点的组织破坏分别为0.0136、0.0044、0.00369，P2点的组织破坏分别为0.062、0.0754、0.0522，P3点的最终组织破坏分别为0.105、0.069、0.124。所以，由图上曲线变化及数据可以知道，P1位于非扩张挤压区，随着摩擦系数的增大，组织破坏先减小后增大；P2点位于扩张挤压区域，随着摩擦系数的增大，工件的组织破坏先增大后减小；P3点是下端扩张挤压区域，随着摩擦系数的增大，组织破坏先减小后增大。一般情况下，随着摩擦系数的增大，组织破坏先减小后增大。-37- 湖南科技大学本科生毕业论文b)a)c)图3.30不同摩擦系数下的组织破坏图a)0.12；b)0.18；c)0.243.4.6摩擦系数对最大应力的影响图3.31是不同摩擦系数下的最大应力曲线图，对比分析可知，在摩擦系数分别为0.12、0.18和0.24时，P1点的最大应力分别为887、1010、993，P2点的最大应力分别为112、505、652，P3点的最终组织破坏分别为749、798、652。所以，由图上曲线变化及数据可以知道，P1位于非扩张挤压区，随着摩擦系数的增大，最大应力先增大后减小；P2点位于扩张挤压区域，随着摩擦系数的增大，工件的最大应力一直增大；P3点是下端扩张挤压区域，随着摩擦系数的增大，最大应力先增大后减小。一般情况下，随着摩擦系数的增大，最大应力先增大后减小；在扩张挤压区域，随着摩擦系数的增大，工件的最大应力增大。-37- 湖南科技大学本科生毕业论文c)b)a)图3.31不同摩擦系数下的最大应力图a)0.12；b)0.18；c)0.243.4.7摩擦系数对法向压力的影响图3.32是不同摩擦系数下的法向压力曲线图，在摩擦系数分别为0.12、0.18和0.24时，P1点的法向压力分别为1860、1660、1800，P2点的法向压力分别为80.6、0、17.2，P3点的最终法向压力分别为1020、1050、1070。所以，由图上曲线变化及数据可以知道，总体上，随着摩擦系数的增大，法向压力先减小后增大。a)b)-37- 湖南科技大学本科生毕业论文c)图3.32不同摩擦系数下的法向压力图a)0.12；b)0.18；c)0.243.4.8摩擦系数对平均应力的影响图3.33是不同摩擦系数下的平均应力曲线图，在摩擦系数分别为0.12、0.18和0.24时，P1点的平均应力分别为1620、1510、1710，P2点的平均应力分别为519、349、504，P3点的最终平均应力分别为932、917、914。所以，由图上曲线变化及数据可以知道，总体上，随着摩擦系数的增大，平均应力逐渐先减小后增大。c)a)b)图3.33不同摩擦系数下的平均应力图a)0.12；b)0.18；c)0.24-37- 湖南科技大学本科生毕业论文第四章结论本论文在经过铜合金循环扩张挤压模拟试验后，分析了铜合金在试验过程中应力应变等特征的变化规律，另外，本论文重点模拟分析了挤压速率、温度和摩擦系数对循环扩张过程应力应变等变化规律的影响。（1）通过铜合金循环扩张挤压三维模拟，对比分析可以知道，在扩张挤压区域内组织应力应变迅速增大，然后增速放缓，然后达到较高的应力水平。（2）通过模拟三组挤压速率，对比分析可以知道，当挤压速率较大时，凸模在挤压开始阶段挤压力上升较快，挤压末期挤压力波动较大，这对模具寿命影响很大，当挤压速率为500mm/sec时，凸模开始阶段挤压力上升较小，挤压结束时挤压力波动也相对较小，所以，选择合适的挤压速率对挤压成形很重要。（3）通过模拟三组挤压温度，对比分析可以知道，随着温度的升高，成形力降低，在相对较小温度时，工件的变形抗力较大，使得模具寿命降低。当温度比较高时，由于挤压过程会产生大量摩擦热和变形热，使变形区的温度升高，从而铜合金容易发生相变。（4）通过模拟三组摩擦系数，对比分析可以知道，总体上来说，随着摩擦系数的增大，工件的等效应变、等效应力、流动速率、组织破坏逐渐增大，因为摩擦系数增大，成形力随之增大，由此形成良好的润滑性，可以极大地降低挤压力。-37- 湖南科技大学本科生毕业论文参考文献[1]刘平，任凤章，贾淑果.铜合金及其应用[M].化学工业出版社.2007[2]田荣璋，王祝堂.铜合金及其加工手册[M].中南大学出版社.2002[3]魏伟，陈光．大塑性变形制备块体纳米材料[J]．机械工程学报，2002，38(7)：1-5[4]童隆长．塑性加工过程有限元法模拟的现状和困难[J]．塑性工程学报，2002．9(4)：1-6[5]董月成.超细晶纯铜的动态力学性能研究[D].南京理工大学2010[6]周明智.粉末多孔材料等通道转角挤压数值模拟及实验研究[D].合肥工业大学.2008[7]郭亭彪.ECAP制备超细晶铜的组织演变、织构特征及力学性能研究[D].兰州理工大学.2010[8]唐向前.纯铜等径角挤压过程计算机模拟研究[D].兰州理工大学.2009[9]覃银江，潘清林.ZK60镁合金均匀化与热变形行为研究[D]中南大学2009[10]张忠明，徐春杰，田景来，王锦程，郭学锋.ECAP挤压L2纯铝的微观组织演化规律[J]. 西安理工大学学报，2005，21（3）：227-231.[11]徐颖梅等径角挤压（ECAP）工艺的研究进展[J]企业技术开发，2009，9.[12]钟毅．连续挤压技术及其应用[M]．北京：冶金工业出版社，2004：24-29[13]万胜秋主编．金属塑性成形原理[M]．北京：机械工业出版社，1995：[14]胡建军,李小平.DEFORM-3D塑性成形CAD应用教程[M].北京大学出版社，2011:：[15]李传民，王向丽，闫华军.Deform5.03金属成形有限元分析实例指导教程[M].机械工业出版社，2007：[16]毕大森，张建，崔洪祥，李国刚.等通道转角挤压模具挤压力计算[M].重型机械，2001：34-36.[17]索涛．等径通道挤压三维有限元模拟及试验方法研究[D]．西安：西北工业大学，2005[18]王军丽，史庆南，钱天才等．大变形异步叠轧技术制备高强高导超细晶铜材研究[J]．航空材料学报，2010，30(3)：14-18．[19]王广春，管婧，马新武．金属塑性成形过程的微观组织模拟与优化技术研究现状[J]．塑性工程学报，2002，9(1)：1—5-37- 湖南科技大学本科生毕业论文致谢本论文是在李老师的耐心指导下完成的，李老师是一位平易近人、亲切可爱的好老师，她拥有渊博的学识，认真钻研的科学精神，以及精益求精、追求完美的科研态度。虽然因为我在实习，经常不在学校，没能更多当面地聆听指导，但李老师每次都及时耐心地督促我写好论文，不断地指导我的论文。在李老师的督促和指导下，我虽然在实习期间很忙，但依然每天抽空做论文，老师每次询问我进度，我就一下子意识到又要加速做了。有一次，我把做的翻译发给老师时，老师晚上10点多修改发给我的，让我很感动，老师非常的认真负责，我更加觉得我应该尽快做好论文。我感觉很幸运，有一位这么认真负责的老师指导我做毕业设计。在此，我真诚地感谢李老师，感谢她的及时督促，感谢她的耐心指导。因为有了她的督促指导，我的论文才能及时完成。与此同时，在这里还要感谢卢老师、储老师对我论文提出的宝贵建议，因为有了这些建议，我的论文才能更加顺利地完成。卢老师是一位平易近人老师，他学识渊博，对待学术精益求精，尽管他时间比较紧，但依然对每一位请教的学生耐心指导。储老师是一位实践经验丰富、理论扎实的好老师，他在教学中注重联系实际情况，根据社会的发展情况，把理论很好地联系起来。他的教学风格受到了大部分学生的喜爱。同时在此，我还要感谢大学里一路教我的老师们，是他们孜孜不倦的教育，才能让我吸取更多的专业知识；是他们无数堂课的辛苦付出，才让我的大学学习那么丰富；是他们的身教言传，才让我明白了什么是严谨的学习态度。我很感恩，这么幸运地来到了美丽的科大，遇到了一群学识渊博、严谨务实的老师。文老师的认真求实，伍老师的严谨教学，陈老师的悉心教育，刘老师诙谐幽默，都让我们记忆深刻。因为科大的老师，我以前散漫的做事态度改变了，我也慢慢学会以认真的态度去做每一件事情。学习工作无小事，生命中的每一件事都值得你竭尽全力去做好！另外，我还要感谢大学四年来，一直和我一起学习成长的同学们，他们和我朝夕相处，一起学习，一起玩耍，我们互相帮助，互相启发，度过了一个美好快乐的四年。在本次论文中，就有一些问题是几个同学帮我解答的，真心感谢他们，因为，生活如此美好轻松，因为他们，我度过了精彩纷呈的大学生活。最后，再一次感谢本次论文中所有帮助指导过我的老师和同学，感谢大学四年里关心帮助我的所有朋友们，谢谢您们！-37-'