筋板类LY12铝合金零件蠕变时效成形有限元分析_黎俊初

第17卷第2期2010年4月塑性工程学报JOURNAL OF PLAST ICITY ENGINEERINGVol 117 No 12A pr 1 2010doi:1013969/j 1issn 1100722012120101021005筋板类LY12铝合金零件蠕变时效成形有限元分析*(南昌航空大学航空制造工程学院,南昌 330063)黎俊初 邹唤 熊洪淼 谭险峰 常春摘 要:蠕变时效成形技术对于航空航天器件中大型复杂整体壁板类零件的制造具有独特优势,被认为是大型飞机特别重要的金属成形工艺之一。

文章利用自行设计的工装,经试验确定了LY12铝合金的最佳蠕变时效成形温度;通过蠕变拉伸试验,得出LY12铝合金材料在最佳温度下的蠕变本构方程中的材料常数,并应用有限元软件ABAQUS 分析了筋板类LY12铝合金零件的弯曲蠕变过程及回弹效应。

关键词:LY12铝合金;蠕变时效成形;蠕变试验;本构方程;有限元分析中图分类号:V26112+8 文献标识码:A 文章编号:100722012(2010)022*******FE analysis on creep age forming of Al alloy LY12ribbed 2plate partsLI Jun 2chu ZOU H uan XIONG H ong 2miao TAN Xian 2feng CH ANG Chun(Aer onautic Manufacturing Technology of Nanchang Aeronautic universit y,Nanchang 330063 China)Abstr act:Cr eep age forming have unique advantage in manufactur e of large and complex integr al r ibbed 2plate parts for aer ospace component and is considered to be one of the most important metallic forming pr ocess for large airplane.The best cr eep age for m 2ing temperature for Al alloy LY12was deter mined through exper iment by using self 2designed technical equipment.Then the ma 2ter ial par ameters of Al alloy LY12in the cr eep constitutive is obtained by cr eep tensile test under optimum forming temper atur e.Furthermore,the creep pr ocess and spr ingback effect of r ibbed 2plate Al alloy LY12part s ar e analyzed by using FE software ABAQUS.Key words:al a lloy LY12;cr eep age form ing;creep test ;constit utive equation;F E analysis*航空基金资助项目(BA200700171);江西省教育厅资助项目(GJJ08207)。

邹 唤 E 2mail:55549291@qq 1com作者简介:黎俊初,男,1957年生,教授,研究方向为材料成形新工艺收稿日期:2009209228;修订日期:2009210221引 言蠕变时效成形技术是在20世纪50年代初期,为成形整体壁板零件而发展起来的一项技术[122]。

该技术将人工时效与加工成形工艺相结合,利用铝合金在弹性应力作用下,于人工时效温度时发生蠕变变形,从而得到具有一定形状的结构件,同时利用时效处理得到铝合金所需的性能[3]。

该成形方法已被成功应用于飞机蒙皮和壁板制造中,如美国B 21B 超音速战略轰炸机的上下机翼壁板、空客A380等大型民用飞机的整体壁板制造等,被认为是大型飞机特别重要的金属成形工艺之一,在我国/大飞机0项目的研制中具有广泛的应用前景[122,426]。

LY12合金是可热处理强化铝合金,经固溶热处理、自然时效或人工时效后具有较高的强度[7]。

该合金还具有良好的塑性成形能力和机械加工性能,能够获得各种类型的制品,因而是航空工业中使用最广泛的铝合金之一。

本文试验研究了LY12铝合金最佳时效成形温度,并选用LY12铝合金薄板制成蠕变试验标准试件,选在最佳时效温度下进行不同应力水平的蠕变性能试验,然后对试验数据进行分析处理,建立能直接用于有限元数值模拟的蠕变本构模型,利用该模型分析了较复杂的筋板类零件蠕变时效成形过程及回弹效应,为实际工程应用中模具的精确设计提供一种分析计算依据。

1 基础试验研究利用自行设计的工装,对LY12铝合金进行蠕变时效成形的试验研究[8],探讨了回弹率与时效温度、时效时间及模具半径的影响规律,确定190e 为最佳时效温度(即回弹率最小时的温度)。

试验数据如表1如示。

表1 正交试验结果Tab 11 The result of or thogona l test序号时效温度,T /e 时效时间,t /h 模具半径,R /mm 回弹率/%1150630066.92150840058.631501050054.24170630048.0517*******.461701050043.47190630029.68190840027.891901050013.52 蠕变试验及本构关系的确定211 蠕变试验将LY12铝合金按照文献[9]沿材料纤维方向线切割成标准蠕变拉伸试样,如图1所示。

图1 蠕变标准试样/mmF ig 11 Standard creep specimen in mm蠕变拉伸试验在CSS 23905电子蠕变试验机上进行。

将标准试样装夹在能保持恒温的加热炉内,保证温度波动控制在?110e ,实现恒温加载。

试验机通过电子控制调节使试验机保持恒载,试验机在使用范围内力值相对误差应不大于?110%,试验机上下夹头拉杆之间的试验力同轴度小于15%,符合GB/T203921997的要求。

本试验中,采用两个轴向引伸计双侧测量夹具的位移,试验前用适当增量的力检查引伸计的装卡质量,必要时可对引伸计进行调整,使两侧读数的平均值与任一侧的读数除以平均值的百分比小于15%,试样在加热炉内不应受到非轴向力的作用。

用计算机对整个试验过程进行控制与数据采集,实时记录轴力及变形量[9]。

图2为温度在190e 下的蠕变应变与时效时间的实测值。

212 本构关系的确定21211 蠕变本构模型的选取用于描述金属材料蠕变行为的本构模型可分为图2 温度190e 下的蠕变试验曲线Fig 12Creep t est curves at 190e时间强化模型和应变硬化模型两种[10],其中,时间强化模型适合于描述恒定应力状态下的蠕变过程;应变强化模型适合于描述变应力状态下的蠕变过程。

因此本文采用了时间强化模型,蠕变应变率函数形式为ÛE cr=A R n tm(1)式中 R )))应力 t )))时间A,m,n )))材料常数21212 材料常数的确定按照时间强化模型式(1),通过拟合最佳时效温度下的蠕变拉伸试验数据得出其材料常数为A =31715@10-8,m =-01654,n =1103因此,LY12铝合金蠕变行为的本构模型为ÛE cr =31715@10-8R 1103t-01654(2)图3为模型与试验数据点拟合情况。

图3 模型与试验数据点拟合曲线Fig 13 Test date points and fitting cur ves3 蠕变时效成形有限元分析311 蠕变时效成形试验为了探讨LY12铝合金蠕变时效成形的性能及回弹规律,本文设计两个工装,分别对不同的LY12铝合金零件进行了蠕变时效成形试验。

图4为点阵式夹板机械工装实物,利用该工装将200mm @25第2期黎俊初等:筋板类LY12铝合金零件蠕变时效成形有限元分析120mm @1mm 的矩形板料成形为半径为400mm 的柱面体。

图5为利用气压加载且自备加热系统的成形工装实物,利用该工装将外形尺寸为5315mm 带筋平板类零件成形成半径为800mm 的球面零件。

该工装的凹模型面为一球面,工装自备加热系统,加载采用气压完成。

典型的蠕变时效成形工艺过程为:1)在板料背面施加足够的载荷,使其发生变形并与模具型面完全紧密接触;2)保持载荷及板料的变形至贴模相当一段时间(本文试验为10h),同时加热并保持某一恒定温度(本文试验为190e ),使材料发生蠕变,部分弹性变形转变为蠕变应变,材料内部的弹性应力下降,材料的人工时效过程同时发生;3)冷却至室温并卸载,板料发生回弹,测量回弹后的零件型面。

312 有限元模型的建立使用有限元分析软件ABAQUS,按上述过程建立分析步及分析模型。

将式(2)中的蠕变参数输入到ABAQU S 模拟软件中进行模拟分析。

图6、图7分别为矩形平板类零件和筋板类零件时效前后示意图。

接触性质的定义在该分析中起到比较重要的作用,根据在定义接触相互作用时,刚性表面必须为主面的原则[11],将凹模工作型面设为主接触面,试验件的下表面设定为次接触面,且两个面之间的摩擦性质假设为理想状态,摩擦系数为0。

网格的划分对于最后的结果有着重要的影响,网格划分不恰当可能会造成计算结果不收敛。

本文中的矩形平板类零件使用了CPS4I 单元类型划分网格,带筋平板类零件使用了C3D8R 单元类型划分网格。

313 有限元分析结果及试验结果的对比分析计算过程分为弹性加载、蠕变、卸载回弹3个阶段。

平板类零件模拟回弹后的半径为460mm,试验件回弹后的半径实测值为451mm,相对误差210%。

带筋平板类零件模拟回弹后的半径为902mm,试验件回弹后的半径实测值为965mm,相对误差-615%,图8为带筋平板类零件各阶段的应力及蠕变应变分布情况,图9为带筋平板类零件时效前后实物图。

上述相对误差值都在工程允许的误26塑性工程学报第17卷差范围之内,说明采用上述方法建立的蠕变本构模型及有限元分析模型具有较好的准确性。

图8 带筋平板类零件成形过程应力及蠕变的变化a)初始加载结束时的应力分布;b)蠕变10h 后的应力分布c)蠕变10h 后的蠕变应变分布;d)完成回弹应力分布F ig 18 Change of equivalent str ess and cr eep dur ingthe for ming process for r ibbed plate par ts4 结 论1)试验研究表明,LY12铝合金的最佳时效温度为190e 。