本文關(guān)鍵詞：H13鋼表面磨損行為的數(shù)值模擬研究及模具壽命預(yù)測

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【摘要】：隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，人們對汽車輕量化、安全性的要求越來越高，高強鋼板以其重量輕、強度大且熱成形性能好的特點，在工業(yè)生產(chǎn)特別是汽車行業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。由于高強鋼板熱成形模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材料費用高，精度要求高，因此高強鋼熱成形模具的制造使用成本在產(chǎn)品總費用中占有較大比重。通過延長模具壽命來降低模具成本成為研究的重點，準確的預(yù)測模具壽命是前提。研究發(fā)現(xiàn)，70%的模具失效是由模具磨損造成的，因此，減少模具磨損是提高模具壽命的關(guān)鍵，而模具壽命的長短可以用模具磨損量的多少進行判斷。 本文以H13熱作模具鋼為研究對象，針對其表面的磨損行為進行深入的數(shù)值分析與實驗研究，探索提高模具表面耐磨性的有效方法，進而預(yù)測模具的壽命，，對完善提高模具耐磨損性能研究，降低模具使用成本具有較高的理論價值與實用意義。 首先，通過銷-盤滑動磨損試驗分別獲得50、100、130和150N載荷下，H13鋼光滑表面與GCr15之間的摩擦系數(shù)以及相同載荷下H13鋼光滑表面和非光滑表面（點狀、條紋狀、網(wǎng)格狀）下的摩擦系數(shù)。根據(jù)磨損失重計算出H13鋼的表面磨損深度，根據(jù)Archard公式計算出其磨損率。通過掃描電子顯微鏡觀察不同載荷、不同表面形態(tài)下H13鋼表面磨損形貌，得出影響磨損的相關(guān)參數(shù)和數(shù)值模擬需要的參數(shù)。 (1)經(jīng)過激光處理的點狀、條紋狀和網(wǎng)格狀非光滑單元體硬度大于基體材料的硬度，比基體材料具有更好的耐磨性。相同載荷下，通過激光仿生加工成點狀、條紋狀和網(wǎng)格狀的H13鋼非光滑表面比其光滑表面的磨損量、磨損率和摩擦系數(shù)小，且H13鋼非光滑表面中，點狀非光滑表面的磨損量、磨損率和摩擦系數(shù)最大，網(wǎng)格狀非光滑表面的最小，條紋狀非光滑表面居中。 (2)非光滑表面形態(tài)能夠減少材料的磨損量，增加其耐磨性；非光滑表面上單元體的形態(tài)不同，其耐磨性也不同。 (3)分析研究H13鋼表面磨損的SEM照片可知：沿著H13鋼表面磨損方向，非光滑單元體后面的磨痕比非光滑單元體前面的磨痕少，犁溝密度也小。 然后，建立銷-盤滑動磨損有限元三維模型對H13鋼表面磨損進行數(shù)值模擬，利用ABAQUS中的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)結(jié)合UMESHMOTION磨損子程序得出H13鋼表面磨損深度，將其與試驗結(jié)果進行對比，誤差為5.01%，在誤差許可的范圍內(nèi)，驗證了數(shù)值模擬仿真的有效性和實用性。對銷-盤滑動磨損過程中H13鋼銷試樣進行了二維和三維溫度場模擬，其溫度及變化規(guī)律與大量研究結(jié)果一致。 最后，以沖壓彎曲模型為例，以DP590高強鋼為板料，H13模具鋼為模具材料進行模具磨損的數(shù)值模擬分析，將ABAQUS、UMESHMOTION磨損子程序和C++語言相結(jié)合，自動提取磨損過程中接觸從面上所選取節(jié)點的接觸應(yīng)力，通過插值法得到接觸主面上所選取節(jié)點的接觸應(yīng)力，利用Archard公式得到特定次數(shù)變形后H13鋼表面單次磨損量，計算得出其累積磨損量，將累積磨損量和變形次數(shù)進行線性擬合，結(jié)合模具允許的磨損量得到模具服役壽命。 通過對H13鋼表面磨損行為的研究，掌握了其磨損規(guī)律，提出了采用非光滑表面提高耐磨性能的方法；運用數(shù)值模擬手段分析了銷-盤磨損過程中H13鋼表面的應(yīng)力、溫度等變化情況，提出了有效預(yù)測模具服役壽命的方法，為熱成形模具磨損性能研究和提高模具壽命奠定了基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：模具 磨損 數(shù)值模擬 溫度場 模具壽命
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG142.45
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第1章 緒論13-21
• 1.1 引言13-15
• 1.2 選題意義15-16
• 1.3 模具磨損數(shù)值模擬的發(fā)展16-18
• 1.4 本文研究內(nèi)容18-21
• 第2章 模具磨損、模擬基本理論21-31
• 2.1 摩擦界面接觸理論21-22
• 2.2 模具磨損基本理論22-25
• 2.3 磨損率計算25-27
• 2.4 有限元分析基本理論27-30
• 2.4.1 金屬材料彈塑性變形行為27-29
• 2.4.2 Mises 屈服準則29
• 2.4.3 ABAQUS 靜力隱式算法29-30
• 2.5 本章小結(jié)30-31
• 第3章 銷-盤滑動磨損試驗31-45
• 3.1 引言31
• 3.2 試驗材料及其熱處理31-32
• 3.3 試樣參數(shù)及其制備方法32-34
• 3.3.1 不同激光電流下非光滑單元體形態(tài)32-33
• 3.3.2 不同脈寬下非光滑單元體形態(tài)33-34
• 3.3.3 光滑單元體試樣的制備34
• 3.3.4 非光滑單元體試樣的制備34
• 3.4 磨損試驗方案34-35
• 3.5 試驗設(shè)備35-36
• 3.6 試驗結(jié)果36-43
• 3.6.1 滑動摩擦系數(shù)和磨損率36-40
• 3.6.2 磨損表面形貌分析40-43
• 3.7 本章小結(jié)43-45
• 第4章 銷-盤滑動磨損有限元數(shù)值模擬45-61
• 4.1 引言45
• 4.2 微觀尺度下銷-盤接觸分析45
• 4.3 銷-盤接觸三維有限元模型45-47
• 4.3.1 相關(guān)參數(shù)設(shè)定46-47
• 4.3.2 邊界條件及載荷設(shè)置47
• 4.4 接觸應(yīng)力分析47-53
• 4.4.1 接觸壓應(yīng)力分布47-49
• 4.4.2 接觸摩擦力分布49-53
• 4.5 H13 鋼光滑表面磨損量的數(shù)值模擬53-57
• 4.5.1 ABAQUS+ALE 自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)53-54
• 4.5.2 數(shù)值模擬磨損量結(jié)果分析54-56
• 4.5.3 模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比分析56-57
• 4.6 H13 鋼非光滑表面磨損量的數(shù)值模擬結(jié)果57-58
• 4.7 本章小結(jié)58-61
• 第5章 銷-盤滑動接觸溫度場分析61-77
• 5.1 引言61
• 5.2 溫度場基本理論61-64
• 5.2.1 導(dǎo)熱的基本定律61-62
• 5.2.2 導(dǎo)熱微分方程62-64
• 5.2.3 導(dǎo)熱微分方程的邊界條件64
• 5.3 二維模型銷-盤滑動磨損過程的溫度場模擬64-69
• 5.3.1 銷-盤滑動磨損建模64-65
• 5.3.2 二維模型銷-盤滑動磨損過程溫度場分布65-69
• 5.4 三維模型銷-盤滑動磨損過程溫度場模擬69-75
• 5.4.1 三維模型銷-盤滑動磨損過程溫度場分布69-73
• 5.4.2 與二維模型溫度場對比分析73-75
• 5.5 本章小結(jié)75-77
• 第6章 模具壽命預(yù)測77-91
• 6.1 引言77
• 6.2 模具壽命的評估方法77-78
• 6.2.1 經(jīng)驗評估法77
• 6.2.2 基于塑性變形的評估法77
• 6.2.3 局部應(yīng)力應(yīng)變分析法77-78
• 6.2.4 基于模具磨損的壽命預(yù)測78
• 6.3 模具磨損模型的建立78-80
• 6.4 模具磨損有限元分析80-83
• 6.4.1 模具磨損有限元模型的建立80-82
• 6.4.2 接觸屬性的定義82
• 6.4.3 分析步的定義82-83
• 6.4.4 單元選擇與網(wǎng)格劃分83
• 6.5 模具磨損過程分析83
• 6.6 磨損子程序計算分析83-85
• 6.7 模具磨損的模擬結(jié)果及壽命預(yù)測85-90
• 6.8 本章小結(jié)90-91
• 第7章 結(jié)論與展望91-93
• 參考文獻93-99
• 致謝99

【參考文獻】

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本文編號：956748