连续辊压成形数值模拟及起皱缺陷研究
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【摘要】：三维曲面件以其形状灵活多变、质量可靠的优点在汽车制造、航空板料、船舶制造、建筑设计、艺术品设计等领域有着广泛的应用。传统的三维曲面成形方法还是以模具成形为主,成形精度高,一致性好,但是这种成形方式的效率较低、成本较高。小批量、单件生产、短周期生产这些新的三维曲面成形工艺要求在现代社会很多领域被提了出来。为适应市场需求,连续辊压成形工艺被提了出来。连续辊压成形工艺运用一对可弯曲辊形成不均匀辊缝,板料在弯曲辊的转动下通过辊缝,在弯曲辊的横向弯曲下板料实现横向弯曲,通过不均匀辊缝后板料横向上产生不均匀减薄从而产生纵向弯曲。调整辊缝形状,可实现不同三维曲面件的成形,成本低、效率高、成形方式灵活。在连续辊压成形工艺中,辊缝控制是成形关键,而不同成形参数的选取对成形结果也有较大的影响,不合理的参数设置会使得成形件成形困难,严重者出现质量缺陷。本文对连续辊压成形工艺的辊缝控制方法进行了表述,对成形误差进行分析,对板厚、辊压速度等成形参数对成形结果的影响进行了数值模拟分析,为实验提供基础。重点对连续辊压成形失稳起皱缺陷进行了数值模拟与实验验证,对于连续辊压成形工艺的优化提供依据。本文的主要研究内容及结论如下:(1)完成连续辊压成形数值模拟的建模,通过数值模拟对连续辊压成形件质量进行分析。通过对成形件形状分析,得出成形件质量良好。对鞍形件和凸曲面件成形误差进行分析。在鞍形件成形中,沿纵向上中部区域成形效果更好,而且越靠近中间区域成形件曲率半径越小。成形件的质量从中部到两侧依次变差。在连续辊压成形凸曲面件中,在不同纵向位置成形质量良好。成形件在辊压方向上在中间位置质量稍微好些,从辊压开始端到辊压成形件中间部位,凸曲面件质量较为稳定,成形质量都略微好于辊压成形结束阶段。(2)对一些成形参数对凸曲面成形结果的影响进行分析。分析了不同板料厚度下成形件的曲率变化,结果表明厚度较大时,得成形件在最大减薄量相同的条件下,横向和纵向曲率半径增大,等效应力应变也减小。在最大减薄率相同的条件下,随着厚度的增加成形件纵向曲率半径增大,横向曲率半径也有所增加,但变化程度不如纵向明显。对辊压成形速度进行数值模拟,结果显示辊压速度增加使得成形件Mises应力增大,等效塑性应变减小。较大的辊速使纵向曲率增加,横向曲率减小,较大的辊速不利于板料的充分变形,对成形质量不利。(3)对连续辊压成形工艺中的起皱情况进行分析,并对引起失稳起皱的一些参数进行数值模拟。对连续辊压成形件失稳起皱区域进行说明,在鞍形件中起皱易发生在边缘区域,凸曲面件中,起皱易发生在成形件中间区域。在最大压缩率不同情况下,随着最大压缩率的增加,鞍形件边缘区域和凸曲面件中间区域的起皱情况都有加重的趋势。通过对板料厚度对起皱情况的影响的分析,板料厚度较大时失稳起皱现象不易产生。分析鞍形件在不同柔性辊半径下辊压成形件中的失稳起皱情况,得知较大的柔性辊半径对连续辊压成形中的失稳起皱有一定的抑制作用。(4)进行连续辊压成形相关实验,并与数值模拟相比较,对模拟结果进行实验验证。实验验证连续辊压成形速度对凸曲面件形状的影响,可得较小的辊压速度可以增大横向曲率与纵向曲率的比值,更易成形双向曲率明显的三维曲面件。对压缩率不同下的凸曲面件和鞍形件进行实验研究,分析两种成形件的失稳起皱情况,可得在较大压缩率下凸曲面件中部与鞍形件边缘容易失稳起皱,实验件中的最大皱纹高度要大于数值模拟中的皱纹高度,但皱纹高度随着压缩率增大而增加的整体趋势一致,验证了数值模拟中对起皱情况的预测。在相同条件下,通过实验验证了板料厚度较大时失稳起皱现象不易产生。
【关键词】：连续辊压 柔性辊 三维曲面 起皱缺陷 数值模拟
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG306
【目录】：
- 摘要4-6
- Abstract6-13
- 第1章 绪论13-23
- 1.1 引言13
- 1.2 板料柔性成形技术13-16
- 1.2.1 多点对压成形13-15
- 1.2.2 多点拉伸成形15-16
- 1.3 板料连续成形技术16-20
- 1.3.1 轧制成形16
- 1.3.2 柔性增量滚弯成形16-17
- 1.3.3 曲面连续柔性辊弯成形17-18
- 1.3.4 基于多点调形技术的连续辊压成形18-20
- 1.4 选题意义和主要研究内容20-21
- 1.4.1 选题意义20-21
- 1.4.2 主要研究内容21
- 1.5 小结21-23
- 第2章 曲面连续辊压成形原理23-35
- 2.1 引言23
- 2.2 曲面连续辊压成形基础23-28
- 2.2.1 不均匀辊缝和可弯曲辊23-24
- 2.2.2 成形件几何分析24-26
- 2.2.3 连续辊压成形过程26-27
- 2.2.4 连续辊压成形接触区域分析27-28
- 2.3 纵向弯曲变形分析28-30
- 2.4 辊缝控制函数30-34
- 2.4.1 连续辊压成形鞍形件辊缝控制30-32
- 2.4.2 连续辊压成形凸曲面件辊缝控制32-34
- 2.5 小结34-35
- 第3章 连续辊压成形数值模拟35-57
- 3.1 引言35
- 3.2 有限元模型建立35-38
- 3.2.1 柔性辊离散化建模35-37
- 3.2.2 成形过程及边界条件的设置37-38
- 3.3 模拟成形结果分析38-41
- 3.3.1 成形应力应变38-39
- 3.3.2 成形件形状分析39-41
- 3.4 连续辊压成形中的误差分析41-48
- 3.4.1 鞍形件成形误差分析42-45
- 3.4.2 凸曲面件成形误差分析45-48
- 3.5 成形参数对结果的影响48-56
- 3.5.1 最大压缩量相同时板厚对成形性的影响48-51
- 3.5.2 最大压缩率相同时板厚对成形性的影响51-53
- 3.5.3 柔性辊转速对成形结果的影响53-56
- 3.6 小结56-57
- 第4章 连续辊压成形中起皱缺陷的数值模拟分析57-77
- 4.1 引言57
- 4.2 曲面成形中的起皱现象57-60
- 4.2.1 成形过程中失稳起皱的条件57-58
- 4.2.2 失稳起皱区域分析58-60
- 4.2.3 起皱程度的表示方式60
- 4.3 曲面成形中起皱现象的数值模拟60-73
- 4.3.1 不同最大压缩率下的失稳起皱情况60-66
- 4.3.2 板厚对起皱的影响66-70
- 4.3.3 失稳起皱区域内的塑性应变70-73
- 4.4 柔性辊半径对失稳起皱的影响73-74
- 4.5 小结74-77
- 第5章 曲面连续辊压成形实验77-95
- 5.1 引言77
- 5.2 连续辊压成形装置77-79
- 5.3 实验件测量方法79-81
- 5.3.1 厚度测量方法79
- 5.3.2 三维曲面测量方法79-81
- 5.4 连续辊压成形实验81-93
- 5.4.1 连续辊压成形速度对成形件的影响81-83
- 5.4.2 典型件成形的两种失稳起皱83-89
- 5.4.3 板料厚度对失稳起皱的影响89-93
- 5.5 起皱缺陷的预防措施93-94
- 5.5.1 压缩率较小时成形件中起皱减轻93
- 5.5.2 板料厚度较大时成形件中起皱减轻93-94
- 5.5.3 增大柔性辊半径抑制起皱的产生94
- 5.6 小结94-95
- 第6章 结论和展望95-97
- 参考文献97-103
- 攻读硕士期间发表的论文103-105
- 致谢105-106
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