CN103886125A - 一种钛合金热复合成形数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钛合金热复合成形数值模拟方法，包括以下步骤：(1)材料试验机上进行钛合金热单向拉伸试验；(2)绘制钛合金本构曲线，识别材料参数；(3)基于有限元软件，将步骤(2)确定的参数输入分析模块，进行热拉伸变形过程I的分析；(4)材料试验机上进行材料热应力松弛试验；(5)绘制钛合金应力松弛曲线；(6)选择合适的蠕变型本构函数，确定材料的松弛参数；(7)基于步骤(3)模拟结果作为松弛过程II的初态，将步骤(6)确定的松弛参数代入蠕变分析模块，进行松弛过程II的分析；(8)将松弛模拟数据作为卸载回弹的初态，进行回弹分析。结果表明，钛合金经过应力松弛，应力大为降低，回弹大大减小，零件成形精度提高。

Description

一种钛合金热复合成形数值模拟方法

技术领域

本发明涉及一种钛合金热复合成形数值模拟方法，具体而言，涉及钛合金材料的热成形+蠕变松弛两个过程的数值模拟及回弹计算，属于材料热加工技术领域。

背景技术

钛合金材料具有高比强度、低密度、高强度、耐高温、耐腐蚀、与复合材料无电偶腐蚀等诸多优点，因此在航空航天工业得到日益广泛的使用。但是由于钛合金是密排六方晶体结构，滑移系少，室温下塑性成形性能很差，难以通过冷成形方法加工，从而大大限制了其在结构方面的应用。对此，钛合金大都采用热成形方法加工制造。钛合金在热加工时，具有优良的蠕变松弛性能，容易实现零件的精确成形；同时，钛合金材质飞行器、仪器在高温服役时，容易产生发生蠕变松弛，因此迫切需要对钛合金等材料的蠕变松弛进行建模计算和回弹分析，进而减少钛合金的设计、制造成本。但是，由于蠕变，尤其是应力松弛的复杂性，其时间相关、瞬时微变、高度非线性等特点，导致对蠕变松弛的研究变得异常困难；此外，由于钛合金高温试验的高成本特点，致使对数值模拟的依赖性大大增强。

发明内容

本发明的目的是为了建立一种钛合金热复合成形数值模拟方法，并将其应用推广应用至工程实际。

本发明建立一种钛合金热复合成形数值模拟方法，通过热单拉试验、应力松弛试验、本构建模、参数识别、拟合仿真、回弹计算等方法，快速确定钛合金材料的弹性模量等热变形参数、应力松弛参数，从而建立钛合金材料的热变形本构数据、蠕变松弛本构关系，采用有限元仿真方法对热变形、蠕变松弛过程进行全过程的应力、回弹预测，减小钛合金零件的设计、制造和最终成本；同时也为钛合金零件工程服役中的蠕变松弛提供一种研究方法。

本发明采用以下技术方案：

(1)、参照GBT228-2002金属材料拉伸试样国家标准，采用激光切割方法制备钛合金坯料的棒形或板材试样，在材料试验机上进行热单向拉伸试验；

(2)、利用Origin绘图软件，基于热单向拉伸试验的试验数据绘制钛合金的本构曲线，进行曲线特征分析，获取弹性模量等材料参数；

(3)、基于有限元软件ABAQUS，将步骤(2)确定的材料参数及本构数据输入成形分析模块，采用动力显式算法，进行工件热拉伸变形过程I的有限元分析；

(4)参照GB／T10120-1996金属应力松弛试验方法，将钛合金材料制成圆棒形、板材或其他形状试样，在材料试验机上进行钛合金材料应力松弛试验；

(5)依据步骤(4)得到的钛合金材料的应力松弛试验数据，绘制钛合金应力松弛曲线，进行曲线特征分析；

(6)依据应力松弛的本质是蠕变原理，选择合适的蠕变型本构函数，采用试错法确定拟合钛合金的材料参数；

(7)、基于步骤(3)对热拉伸变形过程I的数值模拟结果作为蠕变松弛过程II的初始状态，将步骤(6)确定的材料参数代入蠕变分析模块，采用静力隐式算法，进行工件的蠕变松弛过程II分析；

(8)分析应力松弛中应力变化情况与实际工程的符合程度；基于分析结果，将松弛结束时数据作为卸载回弹的初始状态，采用静力隐式算法，进行工件卸载回弹分析；然后，根据回弹量，计算回弹角大小；最后，数值分析结果表明，选择合理的松弛时间，钛合金经过蠕变松弛后，零件回弹大大减小，成形精度提高，实现了钛合金零件精确成形。

与现有技术相比，本方法的优点在于：金属材料热复合成形基于分阶段、全过程数值仿真的思想，采用本构建模的研究方法，对钛合金材料模型化，采用基础试验、本构建模、参数识别、曲线拟合、数值仿真、回弹计算等方法，快速确定钛合金材料的参数，建立钛合金材料高温本构关系、蠕变松弛模型，进行分阶段有限元仿真计算，最后根据松弛结束时的应力条件，采用静力隐式算法，进行回弹分析计算。该方法具有快速化、低成本、简便易行、计算准确的特点，可以进行工程实际应用。

下面选择TC4钛合金板材热拉伸蠕变复合成形为例，说明本发明的具体实施。

附图说明

图1为一种钛合金热复合成形数值模拟方法的流程图；

图2TC4中温真实应力应变曲线：

(a)TC4钛合金650℃真实应力应变曲线；

(b)TC4钛合金700℃真实应力应变曲线；

(c)TC4钛合金750℃真实应力应变曲线；

图3等曲率模具蒙皮有限元分析模型；

图4分析模型有限元网格划分；

图5TC4钛板700℃热拉伸数值模拟等效应力分布；

图6TC4钛合金应力松弛特性与温度的关系；

图7不同温度TC4合金的蠕变应变速率-应力关系曲线；

图8TC4工件700℃蠕变过程应力变化与应力松弛试验对比；

图9TC4钛板700℃蠕变成形结束时等效应力分布；

图10TC4钛板700℃蠕变卸载后等效应力分布；

图11TC4钛板蠕变卸载后回弹位移分布(700℃)。

具体实施方式

下面结合附图1-11和具体实例对本发明作详细说明。

本发明提供了一种钛合金热复合成形数值模拟方法，其流程如图1所示。本发明实施分两个阶段：热拉伸变形过程I模拟和蠕变松弛过程II模拟。发明具体步骤如下：

(一)热拉伸变形过程I数值模拟

步骤1、选择TC4钛合金材料，料厚为1.5mm。参照GB／T10120-1996金属应力松弛试验方法，将钛合金材料制成圆棒形、板材或其他形状试样。在材料试验机上进行拉伸试验，拉伸速度控制为5mm／min。预拉伸量为2％时进行应力松弛试验，记录试验数据。

步骤2、借助绘图OriginPro软件，根据热单向拉伸试验数据绘制TC4钛合金的应力松弛曲线，见图2，其中，横坐标表示松弛时间，纵坐标表示瞬时真实应力，通过曲线，获取弹性模量等材料参数；同时，分析图2，可以看出：

(1)在一定温度下，流动应力随着应变速率的增加而增加；

(2)在一定应变速率下，流动应力随着温度的升高而降低；

(3)应力应变曲线经历了一个很宽的峰值范围后呈现出稳态或软化下降的趋势。这种软化作用与材料热变形产生的变形热有关。

步骤3、基于有限元软件ABAQUS对分析模型进行建模，见图3，并进行网格划分，见图4，将步骤(2)确定的材料参数及本构数据输入成形分析模块，输入加载轨迹，采用动力显式算法，进行工件热拉伸变形过程I的有限元分析，工件初始应力分布见图6。

(二)蠕变松弛过程Ⅱ数值模拟

步骤4、选择TC4钛合金材料，料厚为1.5mm。参照GB／T10120-1996金属应力松弛试验方法，将钛合金材料制成圆棒形、板材或其他形状试样。在材料试验机上进行拉伸试验，拉伸速度控制为5mm／min。预拉伸量为4％时进行应力松弛试验，记录试验数据。

步骤5、借助绘图OriginPro软件，根据应力松弛试验数据绘制TC4钛合金的应力松弛曲线，见图6，其中，横坐标表示时间，纵坐标表示瞬时工程应力。

分析图6，可以看出，温度对TC4钛合金的应力松弛效应最为显著，它是控制应力松弛的最关键因素。温度越高，应力松弛速度越快，应力松弛极限越低。如图2所示，温度越高，应力松弛试验曲线越低。

步骤6、应力松弛是蠕变引起的，应力松弛的本质是一种特殊形式的蠕变。有限元软件中，只有蠕变形式的数值模拟，没有直接的应力松弛数值模拟，因此，对应力松弛的数值模拟可以转化为蠕变进行数值模拟。根据

将应力松弛曲线转变成蠕变曲线，见图7。

双曲正弦型蠕变本构模型的引入与发展，使得本构方程能够统一描述蠕变的各个阶段，并且由于引入更多的材料常数，使得本构方程更加精确。双曲正弦型蠕变本构模型的典型函数形式为：

${\stackrel{.}{\mathrm{\ϵ}}}_c=A{\left(\sinh \mathrm{B\σ}\right)}^n\exp (-\frac{\mathrm{\ΔH}}{RT})---\left(1\right)$

式(1)中，T为绝对温度值，ΔH为蠕变活化能，R为气体常数，A、B、n为材料常数。

采用数据处理软件OriginPro，逐一改变参数值，采用“试错法”拟合材料参数。最后，方程参数拟合结果见表1。

表1材料蠕变本构方程参数拟合结果

将常数结果代入式(1)即得应力松弛的蠕变型本构方程。

步骤7、将步骤(3)确定的材料参数，带入步骤(3)选择的本构函数，确定材料的本构方程；将步骤(6)的本构方程参数输入分析模型，采用静力隐式算法，进行工件蠕变松弛分析，具体如下。

本发明案例选择TC4材料700℃的双曲正弦本构方程：

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_c=0.043{\left(\sinh 0.0036\mathrm{\σ}\right)}^{3.75}\exp (-\frac{200}{8.314\×973})$ 进行蠕变分析计算，设置最大增量数为5000，初始时间步长0.01，最小时间步长10^-5，最大时间步长10，蠕变应变容差为10^-6。选择制件在热拉伸变形终了时的应力应变状态作为蠕变过程的初始状态，材料性能参数与热拉伸过程相同，Load分析步中固定模具和夹紧装置。

步骤8、首先，分析应力松弛模拟结果。图8为应力松弛数值模拟结果和试验结果的对比。由图8可以看出，模拟值和实验值存在一定量的微小偏差，这主要是由于数据获取误差、方程参数拟合误差、模拟结果读数误差造成；但就整体而言，蠕变松弛模拟得到的应力松弛曲线和试验测得的应力松弛曲线符合较好，说明建立的双曲正弦型蠕变本构方程可以描述TC4合金在试验温度和初始应力水平下的应力松弛行为。

图9为蠕变过程结束后应力松弛的结果。从图9可以看出，松弛之后的应力仅有几兆帕，说明钛合金材料经过蠕变松弛过程，材料内部应力得到很大程度的释放。

接着，基于蠕变分析结果，将松弛结束时的应力数据作为卸载回弹的初始状态，采用静力隐式算法，进行工件的卸载回弹分析；蠕变卸载回弹后等效应力的数值模拟结果见图10。仿真结果表明：回弹使零件内部应力得以释放，由回弹前的几兆帕降低为1Mpa左右，回弹减小了零件的内应力。

图11为蠕变卸载后回弹的模拟结果。从图11可以看出，由于松弛之后的应力大大减小，导致回弹量急剧减小。对零件的两端读取回弹位移值，进行解析计算，得到回弹角为0.029°，实现了零件的精确成形。

需要指出的是，以上所述，仅为本发明的具体实施实例，实例中所使用的数据和图表仅用于说明本方法的具体思路。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，可轻易想到的变化或同等替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种钛合金热复合成形数值模拟方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)参照GBT228-2002金属材料拉伸试样国家标准，采用激光切割方法制备钛合金坯料的棒形或板材试样，在材料试验机上进行热单向拉伸试验；

(2)利用绘图软件，基于热单向拉伸试验的试验数据绘制钛合金的本构曲线，进行曲线特征分析，确定材料参数；

(3)基于有限元软件，将步骤(2)确定的材料参数及本构曲线数据输入成形分析模块，采用动力显式算法，进行工件热拉伸变形过程I的有限元分析；

(4)参照GB／T10120-1996金属应力松弛试验方法，将钛合金材料制成圆棒形、板材或其他形状试样，在材料试验机上进行钛合金材料应力松弛试验；

(5)依据步骤(4)得到的钛合金材料的应力松弛试验数据，绘制钛合金应力松弛曲线，进行曲线特征分析；

(6)依据应力松弛的本质是蠕变原理，选择合适的蠕变型本构函数，采用试错法拟合、确定钛合金的材料参数；

(7)基于步骤(3)对热拉伸变形过程I的数值模拟结果作为蠕变松弛过程II的初始状态，将步骤(6)确定的材料参数代入蠕变分析模块，采用静力隐式算法，进行工件的蠕变松弛过程II分析；

(8)分析应力松弛应力变化情况与实际工程的符合程度；基于分析结果，将松弛结束时数据作为卸载回弹的初始状态，采用静力隐式算法，进行工件卸载回弹分析；然后，根据回弹量，计算回弹角大小。

2.根据权利要求1所述的一种钛合金热复合成形数值模拟方法，其特征在于所述钛合金材料是所有钛合金家族的材料，也包括其它具有显著蠕变松弛性能的金属材料。

3.根据权利要求1所述的一种钛合金热复合成形数值模拟方法，其特征在于热复合成形是热拉伸蠕变复合成形、热拉深蠕变复合成形、或其它热成形+蠕变复合成形中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种钛合金热复合成形数值模拟方法，其特征在于根据权利1步骤(3)选择的本构方程是时间硬化模型

应变硬化模型 ${\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_c={\left({\mathrm{A\σ}}^n{\left[(m+1){\mathrm{\ϵ}}_c\right]}^m\right)}^{\frac{1}{m+1}},$ 双曲正弦型蠕变本构模型 ${\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_c=A{\left(\sinh \mathrm{B\σ}\right)}^n\exp (-\frac{\mathrm{\ΔH}}{R\·T}).$

5.根据权利要求1所述的一种钛合金热复合成形数值模拟方法，其特征在于所述步骤(3)选择的本构方程是基于应力松弛数据二次开发的宏观、宏细观耦合本构模型。

6.根据权利要求1所述的一种钛合金热复合成形数值模拟方法，其特征在于所述步骤(3)使用的“试错法”，需要根据一定的经验、规律进行试错，进而迅速确定材料参数。

7.根据权利要求1所述的一种钛合金热复合成形数值模拟方法，其特征在于所述钛合金材料是TC4。

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