1引言氧化铝纤维/铝复合材料是目前极受关注的铝基复合材料,其高效实用的制备成形技术是国内 外研究的热点<1>。半固态挤压是一种近年来发展起来的金属成形新工艺,在成形有色金属材料 和金属基复合材料方面具有突出的优点,是21世纪具有很好应用前景的近净成形技术<2,3> 。但复合材料半固态挤压工艺是集凝固、热传导和塑性变形为一体的复杂过程,是非线性、多变量 的时变系统,难以建立确切的数学模型,只能通过试验和理论分析相结合的方法来确定各工艺参数 ,特别是对其成形过程温度场的变化和分布的模拟分析,对合理设计各个工艺参数、保证稳定挤压 过程的实现和成形质量的控制意义重大<4>。为实现对该工艺温度场的工程模拟仿真,作者建立 了半固态挤压工艺过程热传导有限元数学模型,根据工艺试验采用的挤压条件,利用通用有限元软 件模拟了整个工艺过程的温度场分布和变化情况,并结合试验和模拟结果对工艺内在规律进行了理 论分析,为工艺参数优化提供了理论依据。2含内热源的瞬态轴对称温度场有限元单元法及其方程 组列式由于在挤压变形过程中,工件和模具始终保持轴对称(图1),且塑性变形功产生的内热源 及摩擦生热的热流只与r,z坐标有关。因此,挤压过程温度场的求解是一个有内热源的轴对称不稳定热传导问题。在柱坐标中场函数T(r,z,t)应满足的微分方程是<5>:rrλrT r+zrλz T z+rω-rρc T t=0(1)式中rλ、zλ分别为材料径向和轴向热导率;c为材料比热;ρ为材料密度;r为求 解域半径;ω为内热源密度(塑性功转化的热量)。初始条件:T0=Φ(r,z,0)(2)边界条件:T=Φ(r,z,t)(在Γ1上)(3)rrλTrlr+rzλT zl2=rq(t)(在2Γ上)(4)rrλT rlr+rzλT zl2=-rβ(T-TC)(在Γ3上)(5)式3在1Γ边界上给定温度,称第一类边界条件; 式4在2Γ边界上给定热流量,称第二类边界条件;式5在3Γ边界上给定对流换热条件,称第三 类边界条件。Γ=1Γ+2Γ+Γ3就是求解域Ω的全部边界。将求解区域Ω离散成由m个单元体 和n个节点组成的有限元求解模型,利用加权余量的伽辽金法可得到以上微分方程和边界条件的等 效积分形式<6>。经分部积分后得到用以确定温度场n个节点温度的有限元求解方程:
{ .T}+{T}={φ}(6)式中为热容矩阵;为热传导矩阵;{φ}为热 流向量;{.T}为节点温度速率向量;{T}为节点温度向量。根据软件特点采用后差分方案来积分式6,温度向量{T}对时间导数近似为:{T}tt={T}t-{T}t-ΔtΔt(7)式中{T}t和{T}t-Δt分别为t和t-Δt时刻 的节点温度矢量;Δt为时间步长。将式7代入式6得:Δt+{T}t=Δ t{T}t-Δt+{}t(8)当材料的热容、比热等热物理参数和对流放热系数依赖于温度 时,则上式代表非线性热传导问题,其后差分形式的温度递推格式为:({T*})Δt+ ({T*}){T}n=({T*})Δt(T)n-1+{}t({T*})( 9){T1*}=12(3{T}n-1-{T}n-2)(10)第i次迭代时,{T*}用平 均温度表示成:{Ti*}=12({T}n-1+{Ti-1}n)(11)计算时程序根据设 定的收敛准则检查||{Ti*-1}-{Ti*}||≤给定容许误差则计算结束。图1棒材半固态挤压工艺示意Fig.1Schematic diagram of semi-solid extrusion process3温度场模拟过程中关键问题的处理3.1结晶潜热的处理由于制件不断向模具及环 境散失热量,整个过程始终存在基体金属由液态凝固而释放的结晶潜热。模拟时应考虑结晶潜热对 制件的温度变化的影响。对潜热有等价比热法、热焓法和温度回升法等处理方法。作者采用热焓法处理结晶潜热(图2)。图2用热焓的变化描述结晶潜热Fig.2Latent heat described by variations of enthalpy根据复合材料在固态、半固态和液态温度区间内的密度ρ和比热c(表1)及其凝 固潜热,由下式计算得到不同温度区间内的热焓值:H=∫ρC(T)dT(12)3.2塑性功 转化为内热源的计算半固态挤压加工过程中固态和半固态基体金属的塑性变形功转化为热量形成内 热源,影响系统的温度从而改变材料物性影响整个过程<7>。塑性变形功转化的内热源ω可由式 13计算:ω=pα-σε(13)式中ω为塑性应变能转化成的热源密度;pα为热转化效率, 通常取pα=0.9~0.95;-σ为等效应力;ε为等效塑性应变速率。模拟时把内热源的生 热率作为体载荷施加于单元上模拟变形体单元的塑性功生热。3.3对流传热边界条件在保压过程 中存在模具表面与周围空气的对流换热,挤压过程中同时存在制件部分表面和模具表面与空气的对 流换热。它们都属于第三类边界条件,即对流换热系数和流体的主流温度已知。模拟时把对流边界 条件作为面载荷施加于实体的外表面,计算与流体的热交换。3.4接触传热边界条件根据多次试 算及与试验结果的比较研究,加压成形时制件与模具间的真正接触面积增加会导致传热系数增大,模拟采用的传热系数为:施压前0.936kW/(m2·℃),挤压前期1.3kW/(m2·℃),挤压后期1.6 kW/(m2·℃)。4模拟结果与分析利用有限元软件对Al2O3sf/LY12棒材半固态挤压过程制件和模具的温度场进行了模拟,模拟采用的材料热物性参数见表1。表1 3Cr2W8V与Al2O3sf/LY12的热物性参数Tab.1 Thermal physical properties of Al2O3sf/LY12and 3Cr2W8V材料温度/℃密度/kg·m-3比热容/J·kg-1·℃-1热导率/W·m-1·℃-13Cr2W8V 100 8.35×103468.2 20.1200 525.5 22.2500 685.5 24.3Al2O3sf/LY12固态2.588×1031.006×103183.68固液 态2.576×1031.043×10388.80液态2.565×1031.072×10 374.32图3为保压过程中制件和模具温度场的模拟情况,在温度场云图中,坯料中部的灰色 代表液态,其他颜色的不同深浅代表了材料不同的凝固程度和模具各部分不同的温度分布。可见随 着保压过程的进行,外层金属逐渐形成凝固层,液相区逐渐变小。同时对比发现制件下部靠近成形 模口处温度下降较其他部位快,优先凝固,这种温度分布为随后挤压的顺利进行创造了良好的温度条件。由图4可见,随着制件的逐渐挤出,坯料内液相(a)t=20s(b)t=30 s(c)t=40 s图3保压过程的温度场模拟情况(保压时间40 s)Fig.3 Cloud charts of temperature field in the process of preservation(a)t=6 s(b)t=9 s(c)t=12 s(d)t=15 s图4挤压过程的温度场分布云图(挤压时间15 s)Fig.4 Cloud charts of temperature field in the process of extrusion区逐渐变小,并且未凝固的下液面有下移趋势,在变形区上部坯料总是维持在固 相分率较高的固-液态,下部制件则总是维持在刚刚凝固完的高温固态。由图5可见,由于保压时 间过短,挤压过程中冲头下行速度大于液态金属凝固所导致的固-液界面的上行速度,液相区位置 逐渐下移,导致制件被挤出时,成形模出口处仍有部分金属处于液态。挤压时,变形区上部始终应 保持有液态金属,而在制件挤出时位于成形模出口处的金属必须为固态,才能使挤压过程正常进行 ,若此处的液态金属未凝固就进入模孔而被挤出,会导致棒材断裂、挤压过程中断,与试验情况相符。图5保压30s,挤压6 s时温度场分布Fig.5 Cloud charts of temperature field in the process of extrusionat 6s(preservation time 30 s)5结论(1)建立的半固态挤压过程热分析有限元模型,考虑了基体金属的结晶潜热和塑性变形 功对过程温度场分布变化的影响,更接近工艺过程的真实情况。(2)通过对半固态挤压过程温度 场的有限元模拟,揭示了该工艺过程中内部金属液-固转变情况和模具的温度分布情况,模拟结果 与理论分析和试验结果基本一致。为复合材料半固态挤压工艺参数设计提供了有效的理论依据。A l_2O_(3sf)/LY12棒材半固态挤压工艺温度场的有限元模拟与分析@王振军$西北工业大学机电工程学院!陕西西安710072,河南科技学院机电工程系,河南新乡453003
@杨方$西北工业大学机电工程学院!陕西西安710072
@齐乐华$西北工业大学机电工程学院!陕西西安710072
@巴新华$河南科技学院机电工程系!河南新乡453003
@胡志刚$河南科技学院机电工程系!河南新乡453003基于瞬态热传导问题有限元法的基本原 理,建立了半固态挤压成形过程中瞬态轴对称温度场的有限元模型。结合工艺试验采用的数据,利 用有限元软件ANSYS对挤压成形复合材料棒材连续过程的温度场进行了数值模拟,得出了反映 该过程温度场分布和变化情况的云图。结合试验研究和模拟结果对其工艺规律进行了深入分析,为 进一步设计优化工艺参数提供了理论依据。半固态挤压工艺;;热传导有限元法;;温度场<1> 钟厉,韩西,周上祺.纤维增强铝基复合材料研究进展.机械工程材料,2002,26(12):12-14.
<2>罗守靖,田文彤,
More abstracts about the Al_2O_(3sf)/LY12棒材半固态挤压工艺温度场的有限元模拟与分析