微体积成形有限元数值模拟技术应用中的基础问题研究

基于晶体塑性理论及表面层模型研究微体积成形数值模拟技术应用中的若干基础问题，建立微尺度下微体积成形数值模拟模型及关键技术，对深入认识微体积成形机理具有重要的理论意义，对有效控制微体积成形工艺，促进微体积成形技术发展具有重要的应用价值。基于多晶体变形位错塞积强化的金属物理学基础理论构建晶界区域材料本构模型，根据晶粒尺寸及其不同位向进行分析体表面层区域晶粒化及晶界化，在此基础上离散化构建数值分析几何模型；根据晶粒不同位向及晶界强化材料本构模型，构建表面层区域晶粒与晶界、过渡层及分析体内部区域材料模型，并处理微细成形摩擦边界条件等关键技术，实现微体积成形有限元数值模拟，给出微体积成形过程产生尺度效应的机理及不同的坯料尺寸与晶粒尺寸在不同的成形工艺条件下的微成形规律，并通过模压成形实验观察微特征成形形貌与微观结构特征，验证在微尺度下构建的微体积成形数值分析模型的合理性及数值模拟与分析结果的可靠性。

项目以微体积成形工艺为研究对象，对有限元数值模拟技术应用中的基础问题进行研究。重点研究并构建微体积成形数值模拟中的材料模型及摩擦模型，采用数值模拟与实验研究方法揭示由于尺寸微小化而引起的微体积成形过程材料流动和摩擦方面的尺度效应。. 在经典塑性力学和表面层模型的基础上，分析微体积成形的变形机理，提出了整体赋予截面材料属性和分区域赋予截面材料属性两种建模思路；引入尺寸参数，基于位错塞积理论、表面层理论和金属晶体塑性变形原理在两种建模思路下分别建立了考虑晶界强化和表面层理论的复合材料模型和考虑晶界强化和表面层理论的区域化模型；同时分析微体积成形中干摩擦行为的特点，推导出基于Wanheim/Bay摩擦模型的常剪切摩擦模型和库伦摩擦模型；利用上述构建的材料模型与摩擦模型，实现了微镦粗、微特征模压成形的数值模拟，给出了微体积成形过程中几何尺寸、晶粒尺寸及其位向、摩擦条件等对微体积成形过程尺寸效应的影响规律。通过微镦粗与微特征模压成形实验研究及微成形区域微观结构与晶粒位向的观察，验证了项目构建的尺度依赖的微体积成形材料模型与摩擦模型的合理性。项目研究对微成形数值模拟理论与应用以及据此深入研究并掌握微成形内在本质规律具有重要的理论意义和应用价值。. 项目中有关微成形建模的研究达到了当前微成形研究领域的国际前沿。