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1、上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文鎂合金熱變形過程試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬姓名：張先宏申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：博士專業(yè)：材料加工工程指導(dǎo)教師：阮雪榆;小坂田宏造20030601上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文鎂合金熱變形過程試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬摘要在工業(yè)使用的構(gòu)造材料中鎂合金由于重量輕是很有應(yīng)用潛力的輕型材料目前廣泛使用的鎂合金成形法主要有鑄造法半凝固射出法和壓力加工法鑄造法由于鑄造缺陷的存在必須采用復(fù)雜的后處理工序而且產(chǎn)品的不良率比較高半凝固射出法為防止鎂合金發(fā)火采用六氟化硫保護(hù)氣環(huán)境污染問題比較嚴(yán)重鎂合金的壓力加工成形方法對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的
2、影響比半固態(tài)凝固射出法要小得多制品產(chǎn)生內(nèi)部缺陷的機(jī)會(huì)也很小強(qiáng)度韌性非常優(yōu)良因而這種方法深受國(guó)內(nèi)外研究者的重視并逐漸在生產(chǎn)中被采用但是熱鍛加工的精度較低后續(xù)加工如切削等工序必不可少目前直接以塑性成形加工方式生產(chǎn)出無需后續(xù)加工的鎂合金產(chǎn)品的塑性成形加工技術(shù)尚不成熟為了深入認(rèn)識(shí)鎂合金的塑性成形特性本文對(duì)鎂合金熱塑性成形過程進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬以期能夠豐富鎂合金的塑性加工理論在以往的研究中蠕變模型使用的變形激活能通常被視為常數(shù)不隨著應(yīng)變的變化而變化因而不能計(jì)算任意應(yīng)變時(shí)的流變應(yīng)力本文針對(duì)鎂合金的流變應(yīng)
3、力特點(diǎn)提出了將變形激活能作為應(yīng)變函數(shù)的新的蠕變模型計(jì)算了鎂合金AZ31B在連續(xù)變形過程中的變形激活能及其變化情況得到了變形激活能與變形之間的關(guān)系結(jié)果表明本文構(gòu)造的流變應(yīng)力模型適合于鎂合金的變形將變形激活能作為應(yīng)變的函數(shù)是合理的針對(duì)鎂合金高溫流變應(yīng)力在越過峰值后隨著變形的進(jìn)行而下降的軟化特征提出了含有軟化因子s的流變應(yīng)力數(shù)學(xué)模型nms=+Keee&exp()cTs結(jié)果表明該模型的流變應(yīng)力預(yù)報(bào)精度高于蠕變模型更能反映鎂合金的流變應(yīng)力特點(diǎn)采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)鎂合金AZ31B的高溫流變應(yīng)力進(jìn)行了預(yù)測(cè)并且研究了網(wǎng)絡(luò)
4、的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)歸一化對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響研究表明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法比傳統(tǒng)的蠕變模型的預(yù)測(cè)方法有更高的效率和精度在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程中提出將應(yīng)變速率對(duì)數(shù)化將溫度倒數(shù)化將流變應(yīng)力對(duì)數(shù)化的方法與直接把參數(shù)輸入到網(wǎng)絡(luò)相比該方法的學(xué)習(xí)效率和預(yù)測(cè)精度大大提高通過多次驗(yàn)證找到了描述鎂合金流變應(yīng)力變化規(guī)律的最佳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3-15-15-1結(jié)果表明與數(shù)學(xué)模型的回歸方法的預(yù)測(cè)結(jié)果相比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)精度要高許多采用熱模擬試驗(yàn)對(duì)鎂合金ZK60的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶變化過程進(jìn)行了觀察發(fā)現(xiàn)鎂合金在熱變形過程中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶為主要的軟化機(jī)制在變形溫度
5、為280°C以上時(shí)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶得以發(fā)生當(dāng)溫度升高時(shí)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶加快在320°C以上時(shí)大部分區(qū)域都發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶系統(tǒng)的進(jìn)行了鎂合金的塑性成形試驗(yàn)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鎂合金在塑性加工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制加工溫度當(dāng)加工溫度低于200°C鎂合金容易發(fā)生斷裂不適合塑性成形當(dāng)溫度高于400°C時(shí)表面極易氧化由于鎂合金對(duì)變形速度敏感當(dāng)變形速度增加塑性顯著下降因此在進(jìn)行鎂合金塑性成形時(shí)還必須選擇合適的變形速度鎂合金適合塑性成形的最佳溫度范圍為-1250-400°C變形速率應(yīng)保持在1s左右進(jìn)行鎂合金擠壓成形需要將擠壓模具加熱這樣有利于擠壓的順
6、利進(jìn)行在合理控制擠壓溫度擠壓速度擠壓比等擠壓工藝的條件下鎂合金擠壓成形性能良好鎂合金的擠壓時(shí)應(yīng)將溫度控制在200~300°C之間此時(shí)擠壓質(zhì)量良好I上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文且擠壓力較小采用熱-力耦合的彈塑性有限元法對(duì)鎂合金的熱壓縮和熱擠壓過程進(jìn)行了數(shù)值模擬將含有軟化因子的流變應(yīng)力模型應(yīng)用到模擬中數(shù)值模擬可以預(yù)測(cè)壓縮和擠壓過程的各種場(chǎng)量的分布反擠壓模擬的結(jié)果發(fā)現(xiàn)變形劇烈的部位在凸模與試樣接觸的角部該部位應(yīng)變集中溫度較高數(shù)值模擬結(jié)果再現(xiàn)了反擠壓試驗(yàn)中的未充滿現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)影響未充滿現(xiàn)象的主要因素是擠壓筒的溫度結(jié)果表
7、明在進(jìn)行擠壓試驗(yàn)時(shí)應(yīng)將擠壓筒的溫度加熱到等于試樣或低于試樣50°C的溫度左右這樣可以避免在擠壓時(shí)出現(xiàn)未充滿的缺陷采用含有軟化因子的流變應(yīng)力模型對(duì)鎂合金的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明本文采用的數(shù)值模擬方法是行之有效的模擬的結(jié)果有足夠的精度用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)將基于數(shù)值模擬人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的優(yōu)化方法應(yīng)用到鎂合金的擠壓工藝參數(shù)優(yōu)化中實(shí)現(xiàn)了鎂合金擠壓工藝設(shè)計(jì)過程中的參數(shù)優(yōu)化問題它用數(shù)值模擬獲取的目標(biāo)函數(shù)值來建立訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的樣本對(duì)再通過遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型交互作用達(dá)到參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)這個(gè)方法解決了采用基于數(shù)
8、值模擬進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化問題時(shí)出現(xiàn)的計(jì)算量巨大的問題從而為這類參數(shù)優(yōu)化提出了一種新的方法關(guān)鍵詞鎂合金流變應(yīng)力神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)值模擬壓縮擠壓參數(shù)優(yōu)化遺傳算法II上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文ExperimentalandNumericalStudyofMagnesiumAlloyduringHot-workingProcessAbstractMagnesiumalloysareincreasinglyusedforlightweightstructuresan
