【摘 要】
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300M钢具有高强度、高断裂韧性、良好的抗疲劳性能等优点,在飞机起落架等大型航空关键承力结构件上应用十分广泛。大型锻件的成型过程十分复杂,采用数值模拟仿真技术能有效提高成形效率、优化工艺流程和模具结构,并改善锻件质量。而数值模拟仿真结果的可靠性在很大程度上取决于热变形边界条件的精确度,因而确定300M钢热锻成形边界条件并研究其影响因素具有重要意义。本文首先通过热传导反问题求解方法确定300M表面换
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300M钢具有高强度、高断裂韧性、良好的抗疲劳性能等优点,在飞机起落架等大型航空关键承力结构件上应用十分广泛。大型锻件的成型过程十分复杂,采用数值模拟仿真技术能有效提高成形效率、优化工艺流程和模具结构,并改善锻件质量。而数值模拟仿真结果的可靠性在很大程度上取决于热变形边界条件的精确度,因而确定300M钢热锻成形边界条件并研究其影响因素具有重要意义。本文首先通过热传导反问题求解方法确定300M表面换热系数和界面接触换热系数,然后通过圆环镦粗法确定300M钢在不同条件下的摩擦系数,并探讨不同因素对换热系数和摩擦系数的影响。在此基础上,采用Deform数值模拟和现场生产相结合的方法对边界条件的准确性进行验证,并成功地用于指导企业进行大型模锻件的生产。论文主要研究内容和结果如下:(1)对锻态300M钢进行随炉加热和空冷实验,利用热传导反问题法结合Deform中的反传热模块,求解得到300M钢表面换热系数-温度的关系曲线,其表面换热系数在0.005 N/(s·mm·℃)~0.08 N/(s·mm·℃)之间,先随温度的升高而增大,当温度升高至750℃以后开始减小。(2)确定了300M钢的界面换热系数,探索了其影响因素,构建了300M钢的界面换热模型。对锻态300M钢进行接触传热实验,利用瞬态热传导反问题法结合Deform数值模拟,量化得到压力-界面接触系数之间的幂函数关系。运用SEM和XRD等手段观察了不同氧化时间下300M钢氧化层的表面形貌、微观结构与物相,发现表面氧化对界面换热具有明显的阻碍作用,氧化时间-界面接触换热系数之间呈幂函数关系。综合分析压力和氧化的耦合作用对界面接触换热系数的影响,整体拟合得到函数关系式h(28)18.850361(/d)0.64001P0.58634,表明氧化对于热交换的阻碍作用小于压力对于热交换的促进作用。(3)测定了300M钢在不同条件下的摩擦系数,探讨了摩擦系数影响因素。对锻态300M钢进行圆环镦粗实验,并结合有限元数值模拟技术对不同模具温度、润滑剂种类和氧化时间下的摩擦系数进行了求解,结果表明:氧化时间对300M钢热变形摩擦系数无显著影响;摩擦系数随模具温度的升高而减小,当模具温度为400℃时摩擦系数最小;润滑剂的种类对摩擦系数具有显著影响,使用Condat 10时的摩擦系数最小,约为0.27~0.35。摩擦系数在热锻成形过程中呈动态变化,随变形量的增大而增大。(4)对锻态300M钢进行大锻件现场验证实验,进一步优化实验室条件下确定的边界条件,并将其运用到实际模锻生产中,将模锻前后的锻件与数值模拟得到的终锻件进行尺寸对比和加载载荷对比,尺寸吻合度良好且最大载荷误差仅为4%,表明所求解的边界条件具有很高的精确度。
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