基本信息
- 项目名称：
- 圆柱体镦粗的塑性泥物理模拟
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 用粘土彩泥对平板间镦粗圆柱体工序进行了物理模拟。物理模拟实验结果与刚塑性有限元数值模拟基本符合，为高径比大于1的刚塑性力学模型提供了佐证。进一步对平板-漏盘间镦粗圆柱体进行了物理模拟。该实验方法对大变形物理模拟具有一定的借鉴意义。
- 详细介绍：
- 主要研究内容是按照相似原理，采用塑性泥的方法对锻件在塑性成形过程中的基本工序（如镦粗、拔长等）进行物理模拟实验；采用以物理模拟实验为主，初步配置材料后，进行变形试验，辅之以理论分析进行验证。 通过模拟实验，研究成形工艺对锻造过程中金属流动的影响。由于传统的网格法在大变形后网格模糊不清，为了克服这一缺点，本项目利用不同颜色的塑泥制取层状试样，具有简单、直观的优点。可以沿任意截面剖分，只要试样分层合理，可以模拟试件表面和内部任何部位的变形情况。 用粘土彩泥对平板镦粗和漏盘镦粗进行了物理模拟，应用CAD软件对物理模拟结果进行描点、作出数据点网格图 ，并应用有限元软件对镦粗过程进行了数值模拟。模拟了镦粗后锻件鼓形上下不严格对称的现象。得到了平板和漏盘间镦粗工序的变形规律，为生产应用提供了参考依据。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 主要研究内容是按照相似原理，采用塑性泥的方法对锻件在塑性成形过程中的基本工序（如镦粗、拔长等）进行物理模拟实验；通过模拟实验，研究成形工艺对锻造过程中金属流动的影响。关键问题是塑性泥材料的配置。采用以物理模拟实验为主，初步配置材料后，进行变形试验，辅之以理论分析进行验证，从而解决这一问题。掌握了配置方法之后，将其应用于新工艺的模拟实验。
科学性、先进性及独特之处
- 由于传统的网格法在大变形后网格模糊不清，为了克服这一缺点，本项目利用不同颜色的塑泥制取层状试样，具有简单、直观的优点。可以沿任意截面剖分，只要试样分层合理，可以模拟试件表面和内部任何部位的变形情况。 对平板镦粗和漏盘镦粗进行了物理模拟，并应用有限元软件对镦粗过程进行了数值模拟。模拟了镦粗后锻件鼓形上下不严格对称的现象。得到了漏盘间镦粗工序的变形规律，为生产应用提供了参考依据。
应用价值和现实意义
- 用粘土彩泥对平板间镦粗圆柱体工序进行了物理模拟。物理模拟实验结果与刚塑性有限元数值模拟基本符合，为高径比大于1的刚塑性力学模型提供了佐证。进一步对平板-漏盘间镦粗圆柱体进行了物理模拟。该实验方法对大变形物理模拟具有一定的借鉴意义。
学术论文摘要
- 塑性变形是大型锻件的主要制造工序。物理模拟对金属变形来说是一种有效的手段，但是考虑到实验成本和时间，对于大型零件直接进行实物试验是不现实的，只能根据生产的实际情况，设计出相应的实验模型，通过对该模型的研究，反推出适用于实际生产需要的结论，然后再根据生产的实际情况修正实验模型 用粘土彩泥对平板间镦粗圆柱体工序进行了物理模拟。物理模拟实验结果与刚塑性有限元数值模拟基本符合，为高径比大于1的刚塑性力学模型提供了佐证。进一步对平板-漏盘间镦粗圆柱体进行了物理模拟。该实验方法对大变形物理模拟具有一定的借鉴意义。
获奖情况
- 发表论文：Physical Modeling of Cylinder Upsetting With Plasticine for Validation of FEM. Advanced Materials Research, Vols. 129-131 (2010) pp 1129-1132.
鉴定结果
- 作品属实，同意推荐。
参考文献
- [1] 李尚健.金属塑性成形过程模拟.北京:机械工业出版社,1999 [2] 鹿守理.相似理论在金属塑性加工中的运用. 北京:冶金工业出版社,1995 [3] 张士宏等.金属塑性加工的物理模拟. 塑形工程学报,2000,7 (1) [4] 张士宏,尚彦凌,许沂.体积成形工艺的物理模拟与计算机模拟. [5] 王乐安.锻压过程的物理模拟技术.材料工程,1994 (7 ) [6] 赵文奇,谢冰,曹起骧.模拟热钢塑性变形的非金属软材料及若干试验技术.力学与实践.塑性泥在模拟热钢塑性成形中的应用.金属成形工艺, 1992，10(2) [7] 林治平等.金属塑性变形的实验方法.北京:冶金工业出版社,2002 [8] S.F.Wong .Physical modeling with application to metal working especially to hot Rolling. Journal of Materials Processing Technology,1996 (62) :260-274 [9] 汪大年.金属塑性成形原理.北京：机械工业出版社,1982 [10]赵宏旭. 陶土彩泥试样模拟金属塑性变形技术的实验研究.吉林大学硕士学位论文,2006
同类课题研究水平概述
- 塑性变形是大型锻件的主要制造工序。物理模拟对金属变形来说是一种有效的手段，但是考虑到实验成本和时间，对于大型轴类零件直接进行拔长实验模拟是不现实的，只能根据生产的实际情况，设计出相应的实验模拟模型，通过对该模型的研究，反推出适用于实际生产需要的结论，然后再根据生产的实际情况修正实验模型。目前对于要经历复杂的成形过程的轴类零件变形，即使对于实验模型，还不具备较好的实验方法测定其变形过程中复杂的应力和应变状态分布，只能是近似地测定某些特殊区域的部分场变量值，因此很多方案的改进是根据实际生产的经验确定的，但是，这些经验数据对于系统的工艺优化是比较困难的，同时，也很难确定原有工艺方案的优缺点。 其中网格法是最早、最简单和应用最广的方法。该法是将处理均匀的模拟材料做成试件毛坯，然后，将其沿对称面剖开，在剖分面上按一定间距均匀地划上坐标网格、并着色，最后将两半剖分试样毛坯精确拼合在一起放入模拟模具中进行塑性变形。变形后将剖分模型分开，测量网格各节点的位移值，求得位移场和应变场。网格法操作简单，但是需要网格的划分，而且网格在变形后会模糊不清，不利于大变形后流动趋势的观察。 而层状塑泥法物理模拟是网格法的变种，它利用不同颜色的塑泥制取层状试样，具有简单、直观的优点。由于它的网格形式是由不同颜色塑泥的层间界面构成的，所以克服了网格法大变形后网格模糊不清的缺点；另一方面它可以沿任意截面剖分，这样只要试样分层合理，可以模拟试件表面和内部任何部位的变形情况。 网格法、视塑性法和云纹法是三种常用的方法，但由于剖分面的不连续性，不能传递拉应力和剪切力，限制了这类方法的应用范围，通常只用于对称锻件的对称面的分析，如盘形件的锻粗和对称件的挤压等。光塑性法是一种整体成形方法，并可在任意部位切片分析，但由于尚未解决三维主应力分析技术，也只能用于简单成形件的应变场分析。逆网格法既无剖分模型的缺点，又能在任意切片上获得全面信息，是有发展前途的方法，但实验用材料及其对形状记忆的精度还有待进一步研究。相比之下层状塑泥法既无剖分模型的缺点、又可在任意部位对试样进行切片，且模拟成本低廉、方法简便，因而在塑性成形研究中更具优势。
