钛合金板材电磁成形实验与有限元模拟

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钛合金TC4具有密度低,强度高,高温服役性能优异等特点,广泛应用于航空航天及汽车等产业。由于钛合金TC4滑移系较少,室温下成形较难,目前针对钛合金板材的成形技术主要是热成形工艺,如超塑性成形,蠕变成形,激光成形等。但是由于废品率高,污染严重,易氧化等原因,钛合金板材在这些成形工艺下的成形性能仍需提高。由于钛合金TC4是一种应变率敏感材料,而电磁成形具有高速成形,成形条件可控的特点,因此本文在前人的研究基础上,提出利用带驱动片的电磁成形方法在室温下成形钛合金TC4板材的成形方案。通过带驱动片的电磁成形方法可实现钛合金TC4板材在室温下的自由胀形,成形过程安全可控,无污染,且成形效率较高。本文研究了钛合金TC4板材的带驱动片的电磁成形原理,通过实验实现了该成形过程,并通过测试手段,获得了成形中的放电参数、成形过程板材变形速度等数据。同时研究了变形后板材的应变及厚度变化,为后期的有限元模拟奠定了基础。对电磁成形后的钛合金TC4板材的微观组织,通过EBSD技术针进行了研究。通过对比原始未变形板材、准静态变形板材及电磁成形板材的微观组织,研究了电磁成形方法对钛合金TC4的微观组织演变产生的影响。研究发现电磁成形后的钛合金TC4板材的相比例及晶粒尺寸均有所改变,但与准静态成形相比,电磁成形并未显著改变板材的织构。在实验的基础上,本文通过有限元方法对带驱动片的钛合金TC4板材电磁成形过程进行了数值模拟。首先在ANSYS软件中建立了简化的该成形过程的三维电磁场模型。通过求解得到了驱动片上的电磁力的分布。然后在Abaqus中建立成形过程的三维结构场模型,将之前求解得到的节点电磁力施加在结构场模型中,通过求解可得到成形过程的一些重要参数,如变形速度,冲击载荷,应变及应变率等。通过与实验所得数据对比,验证了有限元模拟方法的可行性。
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