复杂应力场中金属流动行为的研究-材料加工工程专业论文.docx

Classified Index：TK302 U.D.C.：621.73 Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering METAL FLOW BEHAVIOR IN COMPLEX STRESS FIELD Candidate： ZHANG Ji Supervisor： Prof. YUAN Shijian Associate Supervisor： Dr. XING Huilin Academic Degree Applied for： Doctor of Engineering Speciality： Material Processing Engineering Affiliation： School of Materials Sci. Eng. Date of defence： March, 2008 Degree-Conferring Institute： Harbin Institute of Technology 摘要 摘要 - - I - 摘要 体积成形中的金属流动规律是塑性加工领域最关心的问题之一，控制成 形过程中的金属流动行为是体积成形工艺成败的关键。塑性加工力学的本质 是研究力与塑性变形之间的关系，经典塑性力学里的增量理论解决了应力与 应变增量之间关系的问题，是塑性有限元方法的基础。本文主要研究应力场 与金属宏观变形流动行为之间的关系，深入探讨复杂应力场中决定质点流动 方向的参量，并探讨与质点流动方向相关的理论和实际问题。 首先研究了三维复杂应力场及其特征量的全区域可视化表征方法。利用 应力应变张量方块图来表征应力和应变的大小、主轴方向及其变化规律。利 用等值线（面）图和云图实现应力场特征标量的全区域可视化，利用矢量图 和流线图实现了位移场、速度场和质点流动轨迹的全区域可视化。 针对传统工艺实验方法无法控制变形过程中应力场的问题，提出了一种 可实现应力场可控的新实验方法——充液压缩方法。该方法通过施加在试样 上的可控液压控制试样压缩变形过程中应力场，为研究金属流动行为与应力 场之间的关系提供了有效的实验手段。 发明了嵌入螺柱法，并通过圆柱体压缩实验研究了该方法的实现过程和 适用范围。该方法克服了传统物理模拟和工艺实验方法无法在变形前不剖分 试样的前提下观测真实金属材料试样变形过程中内部流线和应变分布的问 题，且该方法不受温度和受力条件的限制。 提出了离散标量场中的梯度方向求解算法，用数值方法求解了平板间圆 柱体压缩、圆环压缩、挤压塑性区和无限长矩形截面坯料压缩等典型轴对称 和平面应变问题中应力场的平均应力梯度方向。通过可视化对典型轴对称和 平面应变问题中的质点流动方向和平均应力梯度方向进行表征和比较分析， 结果表明质点流动方向与应力场的平均应力梯度方向基本保持一致，即在二 维问题中质点沿平均应力增大最快的方向流动。对圆柱和圆环压缩局部区域 的应力和速度分析表明，质点运动速度大小与平均应力梯度大小间存在比例 关系。 对矩形截面坯料、方环和 L 型截面坯料压缩过程以及汽车转向连杆锻 造过程等三维问题进行了数值模拟和可视化，研究了三维塑性变形问题中质 点流动方向与应力场的平均应力梯度方向的关系，结果表明在复杂三维应力 场中质点流动方向与平均应力梯度方向也大致保持一致。 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 - - II - 研究了轴对称问题中金属流动分界面的实验观测和模拟结果可视化方 法。证明了在轴对称塑性变形中，金属流动分界面上的罗德系数为零。并由 此研究了金属流动分界面及罗德系数零值面的性质及其与变形类型的关系。 利用充液压缩方法和圆环压缩实验研究了静水应力和偏应力场对金属变 形流动行为的影响。实验和模拟结果表明，仅改变静水应力而不改变偏应力 场不改变金属的变形流动，但提高静水应力可以提高材料的成形性；改变偏 应力场分布可显著改变金属的变形流动行为。 关键词 金属流动方向；体积成形；嵌入螺柱法；平均应力梯度；罗德系 数；流动分界面 Abstract Abstract - - PAGE VIII - Abstract As one of the main problems in metal forming process, metal flow is the key subject during the design and control of bulk metal forming processes. The object of plastic mechanics is essentially to discover the relationship between force and deformation. Th