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钛合金高压容器成形过程的有限元模拟

张敏聪  
【摘要】: 随着航空、航天工业的发展与技术进步,钛及钛合金在国防工业中的应用越来越广泛。作为航空、航天难变形材料,钛合金以其变形抗力大、工艺参数容差小、成形件质量对工艺参数敏感且难以控制等特点而成形困难。采用传统的工艺设计与控制方法,很难快捷而有效地生产出合格的零件。这亟待从工艺过程设计、质量控制体系和生产过程控制等方面入手来提高航空、航天难变形的工艺设计水平与成形制造精度。 本文以航天用某型号高压容器为研究对象,针对其所用材料TC4合金的成形特点,采用有限元数值模拟软件,分析研究了不同工艺条件下TC4合金的成形规律,并以此为基础,对某牌号高压容器各组成部分的实际成形过程进行了数值模拟与仿真。主要成果和新见解如下: 1.通过工艺分析和材料变形特点的研究,将所研究的高压容器分解为左、中、右三段,并分别采用不同的工艺过程进行成形。通过分析认为:左封头零件适用于精密热模锻工艺;中间筒形件适用于强力旋压工艺;右封头球形件适用于拉延成形工艺。 2.采用刚(粘)塑性热力耦合有限元数值模拟方法,分析研究了TC4合金高压容器左封头的锻造成形过程,重点研究了在热模锻过程中成形件组织与工艺参数间的耦合分析问题,给出了TC4合金锻造过程中的载荷行程曲线及再结晶组织分布情况,并分析研究了主要工艺参数对左封头成形过程的影响规律。 3.采用三维弹塑性有限元数值模拟方法,分析研究了TC4合金高压容器中间段筒形件的强力旋压过程,在分析钛合金材料强力旋压特点的基础上,初步确立了TC4合金强旋过程的工艺参数,研究了冷、热旋压工艺对TC4合金强力旋压过程的影响,获得了温度场对强力旋压工艺的影响规律以及旋轮作用区及其相邻区域的场变量分布情况。 4.采用大变形弹塑性有限元数值模拟方法,分析研究了TC4合金高压容器右封头球形件的拉延成形过程,在对成形板料进行分区讨论的基础上,重点给出了钛合金球形件在拉延成形过程中的回弹规律,并就凸模压下速度对拉延成形过程的影响进行了研究。


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