金屬流變
關注創建者：DWF 創建時間：2019-07-28
金屬流變的實例教程
借助數值模擬仿真分析方法，調整楔橫軋模具各楔的工藝參數以及排布位置的變化，獲得應力應變場的變化規律，探索其變形、缺陷產生機理，為今后進一步研究楔橫軋多楔零件的精確成形及金屬流動提供了理論參考依據。
建立有限元數值分析模型
整體軋制的楔橫軋多楔有限元模型，如圖1 所示。該模型包括多楔軋輥、擋板及軋件等。假定軋輥是剛性體，軋件是塑性體，軋輥下壓軋件的方向為Y 向（徑向），垂直徑向的方向為X 向（橫向），平行軋件中心軸的方向為Z 向（軸向）。由于軋件結構對稱，取軋件的一半作為研究對象進行有限元模擬。
圖1 楔橫軋多楔有限元模型
楔橫軋多楔模具設計有4 個楔：隔斷楔、側主楔、內側楔、外側楔，各楔均由楔入段、平整段、展寬段和精整段組成，其在軋輥上的排列順序，如圖2 所示。
圖2 楔橫軋多楔模具設計圖
模擬中選取的軋輥和軋件的各工藝參數為：工件直徑18mm，軋輥直徑500mm，成形角30°，展寬角13°，斷面收縮率47%。
模擬結果與分析
軋件的模擬成形過程
鋁合金連桿坯料呈啞鈴狀，形狀不對稱，各段桿的直徑不同，軋制時變形過程很復雜，是一個典型的多楔多道次軋制過程。多楔楔橫軋軋制鋁合金連桿的數值模擬成形過程，如圖3 所示。
圖3 軋件成形過程
圖4 楔橫軋軋件金屬流動網格圖
金屬流變行為分析
金屬流動狀況影響軋件的形狀、尺寸，所以必須要充分掌握金屬的流動規律。為更加直觀地了解軋件各部位金屬的流動狀況，將軋件縱向截面劃分成均勻分布的小格，從右到左等間距（10mm）取11個橫截面，如圖4（a）所示。軋制結束后，截面上的金屬流動通過網格變形體現出來，如圖4（b）所示。
軋件成形完成后，軋件細桿部位劇烈的扭轉，網格變形嚴重，夾持桿末端的網格被拉長，出現嚴重的凹心。
展開 不管什么塑性變形問題，都必須定義該金屬的流變應力（即應力應變曲線，如果沒有確定數值，則根據一定比例進行設定），然后確定該金屬的應力應變模型，根據這兩者進行模擬。
Flow stress 單位為MPa，是與Strain rate成函數關系。不同strain rate下Stress不一樣。
不定義材料流變應力的話，則會導致應力數值很低的現象）。
4.（別人求助解答加上自己經驗，后來將Manual第二章還是第三章好好看了一遍，發現有些問題實在沒法解決的話，修改一些模具的幾何邊界形狀，也可以有些作用，總之，就是不斷試來試去了！）
【求助】總說讓減小時間步怎么辦 :
Q: 一般來說，你的問題和網格質量、材料以及接觸定義有關,這把這幾個參數調整看看。 比如先不加摩擦，模具用干剛體，換種材料。
--> 按照這種方式，定義較低一點應變條件下的flow stress，以獲得收斂，從而解可以進行下去。（比較好的一種解決方式）。但是，如果擠壓過程中邊界出現太多folds，則必須修改邊界線，重新產生邊界（可以在tolerance一項將參數變大，比如0.1mm，則原本分開的地方可以產生邊界點，這樣計算起來應該更為有效）。
5: 注意！！！：
由于數據庫中材料某些量沒有設定，而不進行設定的話會出現問題，所以必須設定！比如彈性模量等等。
6. 如果解在邊界沒有出問題的時候還是不收斂，則按照Deform Manual 中Chapter2 解釋：依次修改Velocity Norm、Maximum Strain rate、time step、Flow stress低應變情況下的應力等等
展開 在高壓鑄造工藝基礎上開發的真空鑄造、充氧壓鑄、半固態金屬流變或觸變壓鑄等工藝方法，旨在消除鑄件缺陷，提高內部質量，并擴大壓鑄件的應用范圍。擠壓鑄造過程中，熔體在壓力下充型和凝固，具有平穩、無金屬噴濺、金屬液氧化損失少、節能、操作安全和減少鑄件孔洞類缺陷等優點，在鋁合金副車架等高性能鋁合金鑄件的開發與應用方面獲得了廣泛的應用。
汽車產量的不斷增長迫切要求鑄造生產向高質量、優性能、近凈形、多品種、低消耗、低成本的方向發展。由于一輛整車約15%~20%的零件是鑄件。這就要求鑄造行業要不斷應用各種新技術、新材料來提升鑄造整體水平。鑄件精確鑄造成形技術能夠滿足汽車鑄件的上述要求，其應用也將涵蓋汽車鑄件的不同鑄造生產過程中。
展開 然而，現有的金屬3D納米打印技術，需要聚合物-金屬混合物、金屬鹽或流變性油墨，從而限制了材料的選擇和最終結構的純度。盡管此前氣溶膠光刻技術已被用于在預先圖案化的襯底上，組裝高純度3D金屬納米結構陣列，但其幾何形狀有限。
在此，來自韓國浦項科技大學的Junsuk Rho和韓國國立首爾大學的Mansoo Choi等研究者，介紹了一種可使用各種材料直接3D打印金屬納米結構陣列的技術，這種金屬納米結構具有靈活的幾何形狀和可達數百納米的特征尺寸。相關論文以題為“Three-dimensional nanoprinting via charged aerosol jets”發表在Nature上。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03353-1
首先，研究者解釋了帶電的氣溶膠噴射是如何集中的？由火花放電產生的帶電氣溶膠和離子，同時注入靜電室，在靜電室中帶有孔陣列的介質掩模與偏置硅襯底分離(圖1a)。掩模與基板的分離是至關重要的，因為它可以使基板自由移動而不接觸正在生長的納米結構，也因為它允許掩模上的孔與正在生長的結構尖端之間的相對距離改變，因而能夠控制匯聚電場線的形狀，最終打印出所需的3D納米結構。
固定掩模下的襯底的運動，由一個3D納米級控制。通過對襯底施加一個負電位，正的氣溶膠和離子被吸引到掩膜上。高流動性的陽離子，首先到達面罩表面，然后是帶電的氣溶膠。離子積累可以防止納米顆粒沉積在掩膜上，并在每個孔周圍形成一個靜電透鏡。這種透鏡聚焦帶正電的氣溶膠，而不會造成在使用模板光刻時發生的堵塞(圖1插圖)。該含孔掩模與其他3D打印技術中的噴嘴類似，但由于靜電聚焦，打印結構的寬度要比孔的尺寸小得多。
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然而，現有的金屬3D納米打印技術，需要聚合物-金屬混合物、金屬鹽或流變性油墨，從而限制了材料的選擇和最終結構的純度。盡管此前氣溶膠光刻技術已被用于在預先圖案化的襯底上，組裝高純度3D金屬納米結構陣列，但其幾何形狀有限。
圖3 軋件成形過程
圖4 楔橫軋軋件金屬流動網格圖
金屬流變行為分析
金屬流動狀況影響軋件的形狀、尺寸，所以必須要充分掌握金屬的流動規律。為更加直觀地了解軋件各部位金屬的流動狀況，將軋件縱向截面劃分成均勻分布的小格，從右到左等間距（10mm）取11個橫截面，如圖4（a）所示。軋制結束后，截面上的金屬流動通過網格變形體現出來，如圖4（b）所示。
在高壓鑄造工藝基礎上開發的真空鑄造、充氧壓鑄、半固態金屬流變或觸變壓鑄等工藝方法，旨在消除鑄件缺陷，提高內部質量，并擴大壓鑄件的應用范圍。擠壓鑄造過程中，熔體在壓力下充型和凝固，具有平穩、無金屬噴濺、金屬液氧化損失少、節能、操作安全和減少鑄件孔洞類缺陷等優點，在鋁合金副車架等高性能鋁合金鑄件的開發與應用方面獲得了廣泛的應用。
不管什么塑性變形問題，都必須定義該金屬的流變應力（即應力應變曲線，如果沒有確定數值，則根據一定比例進行設定），然后確定該金屬的應力應變模型，根據這兩者進行模擬。
Flow stress 單位為MPa，是與Strain rate成函數關系。不同strain rate下Stress不一樣。
不定義材料流變應力的話，則會導致應力數值很低的現象）。
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