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1、硕士学位论文镍合金板材辊压过程的三维仿真和优化研究二一五年一月摘 要镍基合金具有较高的蠕变强度、优越的抗腐蚀性能以及优良的耐磨性,因而能在高温下长时间工作,所以被广泛应用于航空、航天等领域的核心部件。纳米多孔材料具有例如低密度、较大内表面积和较高表面活性等优点。综合上述两个方面，镍基纳米多孔材料不仅具有镍基合金的优良性能，而且具有纳米多孔材料的特点。本文以得到镍基合金纳米膜的最优多孔性和最优渗入性为目标，研究纳米膜制备过程中的关键环节即筏化过程，对影响筏化过程的主要参数进行仿真优化研究。论文的主要内容包括：1. 详细分析纳米膜的制备过程，通过对筏化过程的理论分析，分析产生材料多孔性和渗入性的原
2、因以及影响得到材料多孔性和渗入性的因素，最终得出本文优化研究的具体对象，即辊压深度、辊轮半径以及加热温度等三个过程参数。2. 应用有限元软件ABAQUS，建立辊压模型的有限元模型，分别在不同建模参数即网格尺寸、单元类型、质量缩放方法等的情况下进行镍合金板材筏化过程的有限元仿真，接着结合应力平衡理论公式及相关理论准则对仿真结果进行验证并从中选出最优的建模参数，从而使后续仿真结果可靠和准确。3. 以优化选出的建模参数为基础，应用有限元软件ABAQUS，对影响筏化过程的基础参数即辊轮半径、辊压深度和加热温度进行多次仿真试验，统计比较结果，最终得出筏化过程的最优参数组合，使得板材经历筏化过程之后具有最
3、大的多孔性区域和最大的平均渗入性区域，实现纳米膜的优化制备。最后提出进一步工作的方向。关键词：辊压，筏化过程，有限元分析，纳米膜，镍基超级合金键入文字ABSTRACTNickel-based alloy has high creep strength, good corrosion resistance and good wear resistance, which makes nickel-based alloy be able to work long time under high temperature, so nickel-based alloy is widely used in
4、structures in aviation, aerospace and etc. Compared with other materials porous material has the advantage such as low density, large internal surface area and high surface activity. Nickel-based Nano porous material, which is a combination of nickel-based alloy and porous material, has also the com
5、bined advantages. The purpose of this thesis is to get the best porosity and the best penetration of nickel-based Nano-films, besides this thesis studies the rafting process, which is a key phase in the manufacture of Nano-films and this thesis simulates the main parameters affecting rafting process
6、. The main content of this thesis is as follows:1. Analyze the manufacture process of Nano-films, analyze the rafting process theoretically and analyze the reasons of the material porosity and penetration and the factors that influence the formation of porosity and penetration.2. Utilize the FE-Soft
7、ware ABAQUS to establish a model of the rolling system, carry out the optimization process of modeling parameters and validate the optimization result according to theoretical formulations. The modeling parameters refer to the grid size, the element type and the mass scaling method.3. Utilize the FE
8、-Software ABAQUS to simulate the rafting process with different process parameters such as roller radius, the rolling depth and heating temperature, that influence the rafting process. Through the data statistics and comparison the optimal parameter group (roller radius, rolling depth and heating te
9、mperature) is finally obtained and the direction of further optimization is also proposed.Key Words: cold rolling, rafting process, FEM, Nano-film, nickel-based super alloyError! No text of specified style in document. Error! No text of specified style in document.目录第1章绪论31.1研究背景31.2研究的目的和意义31.3国内外研
10、究现状41.3.1超级合金与纳米膜41.3.2纳米膜的制备方法41.3.3板带辊压领域中的有限元模拟61.3.4辊压残余应力的研究61.4论文的主要内容与结构安排71.4.1论文主要内容71.4.2论文结构安排7第2章纳米膜及辊压残余应力研究92.1纳米膜的制备方法92.1.1板材原料的辊压过程92.1.2辊压后板材的筏化过程92.1.3筏化板材的腐蚀过程122.2纳米膜的性质和应用122.3辊压造成的残余应力132.4辊压过程的准静态分析142.5本章小结14第3章筏化过程的仿真优化方法153.1筏化过程的优化研究思路153.2筏化过程的仿真目标163.2.1筏化过程的仿真对象163.2.2
11、筏化过程的仿真任务163.3筏化过程的仿真设计173.4筏化过程的优化流程图183.5筏化过程的仿真工具和仿真基本参数193.5.1筏化过程的仿真工具193.5.2筏化过程仿真的板材参数203.5.3筏化过程仿真的材料性质203.6本章小结22第4章根据理论准则选择验证建模参数234.1选择建模参数的理论准则234.2设置仿真步骤254.3不同网格尺寸的仿真试验及其理论准则验证选择264.3.1加热步骤中弹性波对于应力分布的影响264.3.2选择网格尺寸-应力平衡性分析284.4具有不同质量缩放方法和单元类型的仿真试验及理论公式验证314.4.1辊压步骤中的质量缩放研究314.4.2冷却和加热
12、步骤中的质量缩放研究334.4.3单元类型的选择344.5本章小结35第5章筏化过程参数研究范围的优化选择365.1筏化过程参数的初始研究范围和采用的节点序列365.2辊压过程的应力类型研究375.2.1较小辊轮半径时的应力类型375.2.2较大辊轮半径时的应力类型375.2.3应力类型的仿真结果385.3本章小结42第6章筏化过程参数的优化选择436.1优化选择筏化过程参数的准则436.2辊压深度H=0.1mm时板材的纵向应力分布研究466.2.1温度为900C时板材的应力分布研究466.2.2温度为1000C时板材的应力分布研究486.3辊压深度H=0.15mm时板材的纵向应力分布研究50
13、6.3.1温度为900C时板材的应力分布研究506.3.2温度为1000C时板材的应力分布研究506.4筏化过程参数的优化结果526.5本章小结57第7章结论与展望587.1结论587.2进一步工作的方向58致谢60参考文献61个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果64第1章 绪论1.1 研究背景作为一种重要的商用合金，镍基合金在很多领域都有广泛的应用。在一些特殊的领域，特种的镍基合金甚至是不可或缺的刘文冠. 基于第一性原理的镍基合金晶界脆化机理的理论研究：博士学位论文. 上海：上海应用物理研究所，2014。纳米膜可以用作生物过滤器，透过空气并且阻挡细菌等较大尺寸的有害物质，也可以用作催化
14、剂，加快化学反应速率等。为了优化制备多孔纳米膜，既需要保证其多孔性和渗入性，也需要提高原材料的利用率。镍基多孔纳米膜除了具有纳米膜的一般用途外，因为其性能更加优良，还可以用在高温、腐蚀性的场合。辊压之后板材中便同时存在压应力和拉应力。在应力和高温的共同作用下，镍基合金材料会发生组织结构方面的变化，即筏化。该变化产生由两个材料相所组成的网。在应力和高温对板材的综合作用之后，可把两个材料相中的一个材料相溶解，剩余的材料相便构成具有纳米级别细微孔的中空结构，即纳米膜。1.2 研究的目的和意义纵观人类使用和制造材料的历史，每一种重要的新材料的发现、制造与利用都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。我
15、国宏观经济环境及工业发展形势的良好运行带动了整个材料研究的热潮，其中镍基合金行业市场、纳米材料市场也繁荣地发展。纳米膜的制备有很多方法，论文所涉及的一种制备方法较为简单且节约成本，该制备方法包括辊压过程、加热过程和腐蚀过程等三个主要过程，其中辊压过程是材料中应力的产生过程，加热过程是指对材料施加高温，在辊压过程和加热过程中材料析出相出现多孔定向分布，即筏化。本文的目的在于，使用有限元软件ABAQUS对镍基合金板材的辊压过程和热处理过程进行仿真，从而为材料纳米多孔性的制备提供条件。依据合理的理论公式和相应的理论准则，通过分析和比较热处理结束后不同仿真结果中的应力分布情况，可优化选择影响筏化过程的过程参数组合，从而可实现纳米膜的最优制备。根据论文中选出的影响筏化过程的参数组合可实现最优的筏化过程，从而能最优地制备纳米膜。1.3 国内外研究现状1.3.1
