大型卷板机工作辊有限元力学分析及疲劳寿命研究

发布时间：2017-08-26 03:22

  本文关键词：大型卷板机工作辊有限元力学分析及疲劳寿命研究

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【摘要】：金属板料成形技术在国民生产和制造业中一直处于非常重要的地位，随着我国国民经济的发展和综合国力的提高，金属板料成形技术应用将会更加广泛。板料成形方法通常有挤压、拉拔、轧锻三种，板料成形设备有压力机、卷板机、折弯机等。近年来，随着我国航海业和造船业的不断发展，尤其对大型军用舰艇的需求日益增加，船用卷板机的重要作用得到越来越多人的关注。大型卷板机成形力大，工作辊受力复杂，在长期的交变应力作用下，工作辊容易发生疲劳失效，进而产生裂纹、磨损、剥落等破坏，严重时甚至发生辊身断裂，不仅影响成形件的质量，而且还可能造成重大的经济损失和安全隐患。因此，对卷板机工作辊疲劳寿命的研究具有十分重要的意义。 本文采用有限元软件建立卷板成形有限元模型，对不同成形力、不同成形速度和板材厚度条件下的卷板成形过程进行数值模拟研究，并将数值模拟研究的数据文件导入到疲劳分析软件中进行工作辊寿命的分析，对比分析了不同成形参数下的工作辊疲劳寿命，得出影响工作辊疲劳的关键因素。主要研究内容如下： 1.对卷板模型中各部件的单元类型、材料属性、边界条件、网格划分等进行了详细的分析，在此基础上建立了卷板成形有限元模型。 2.基于建立的卷板成形有限元模型，详细分析了成形过程中各个阶段工作辊的应力状态。研究发现，工作辊上最大接触应力和等效应力位于工作辊与支承辊的接触部分，此区域是容易发生疲劳的危险部位。另外，对比研究了卷板过程中上、下工作辊与支承辊的接触应力和等效应力，分析了工作辊的疲劳寿命，研究表明，工作辊的寿命最低点位于工作辊与支承辊接触部分的附近区域，说明受力状况对疲劳具有重要影响。 3.基于建立的卷板成形有限元模型，纵向比较了成形力、工作辊转速和板材厚度对工作辊疲劳寿命的影响。研究表明，在一定范围内，成形力越大，对工作辊损害越大，工作辊疲劳寿命越低；工作辊转速越快，工作辊疲劳损伤越严重，其疲劳寿命越低；成形板材越厚，对工作辊抵抗和破坏越大，工作辊疲劳寿命越低。在相同成形力、工作辊转速或板厚的条件下，对比分析了上、下工作辊的疲劳寿命。研究表明，下工作辊结构设计较为合理，不会发生疲劳，上工作辊由于承受更大的应力和损伤，容易产生疲劳失效。因此，在设计工作辊时，应当改善上工作辊的尺寸或材料，在实际生产当中，要合理控制成形力、工作辊转速和板厚的大小。 4.在疲劳寿命分析的基础上，对下工作辊的尺寸进行了优化，研究表明，，在不影响卷板机整体使用寿命的前提下，下工作辊直径可以减少50mm。
【关键词】：疲劳寿命 卷板成形 工作辊 数值模拟 成形参数
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG305
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-12
• 第1章 绪论12-22
• 1.1 引言12
• 1.2 国内外卷板机的研究现状12-15
• 1.2.1 国外卷板机发展概况12-14
• 1.2.2 国内卷板机发展概况14-15
• 1.3 疲劳研究现状15-17
• 1.4 数值模拟发展概况17-19
• 1.4.1 数值模拟研究现状17-18
• 1.4.2 有限元分析软件 ABAQUS18-19
• 1.5 课题的研究背景及意义19-20
• 1.6 课题的主要研究内容20-22
• 第2章 疲劳分析理论22-34
• 2.1 疲劳基本概念22
• 2.2 影响疲劳的因素22-26
• 2.2.1 应力集中的影响22-23
• 2.2.2 零件表面状况的影响23-24
• 2.2.3 零件尺寸的影响24-25
• 2.2.4 其它因素的影响25-26
• 2.3 疲劳寿命分析方法26-28
• 2.3.1 名义应力法26-28
• 2.3.2 局部应力-应变法28
• 2.4 疲劳累积损伤理论28-29
• 2.5 卷板成形工艺29-33
• 2.5.1 卷板成形原理29-30
• 2.5.2 卷板工艺参数计算30-32
• 2.5.3 卷板模型简化32-33
• 2.6 小结33-34
• 第3章 卷板成形有限元模型34-44
• 3.1 有限元理论34-36
• 3.1.1 屈服准则34-35
• 3.1.2 动态显式算法35-36
• 3.1.3 弹塑性材料的本构关系36
• 3.2 有限元模型参数的确定36-43
• 3.2.1 卷板机参数37-38
• 3.2.2 模型分析38-39
• 3.2.3 几何建模39
• 3.2.4 材料参数的设定39-40
• 3.2.5 分析步的设定40
• 3.2.6 相互作用的处理40-41
• 3.2.7 载荷的设置41
• 3.2.8 网格划分41-43
• 3.3 小结43-44
• 第4章 工作辊应力场分析44-56
• 4.1 引言44
• 4.2 卷板成形过程的数值模拟44-49
• 4.2.1 成形开始44-46
• 4.2.2 成形过程中46-48
• 4.2.3 成形结束后48-49
• 4.3 卷板过程应力分析49-55
• 4.3.1 接触应力分布50-52
• 4.3.2 等效应力分布52-55
• 4.4 小结55-56
• 第5章 工作辊疲劳寿命研究56-78
• 5.1 FE-SAFE 简介56
• 5.2 采用 FE-SAFE 分析卷板机工作辊寿命56-60
• 5.2.1 数据导入57
• 5.2.2 材料的设置57-58
• 5.2.3 FE-SAFE 算法58-59
• 5.2.4 应力集中系数的设置59
• 5.2.5 疲劳结果的读取59-60
• 5.3 工艺参数对工作辊疲劳寿命的影响60-75
• 5.3.1 成形力对工作辊疲劳寿命的影响60-66
• 5.3.2 工作辊转速对工作辊疲劳寿命的影响66-71
• 5.3.3 板材厚度对工作辊寿命的影响71-75
• 5.4 下工作辊尺寸优化设计75-77
• 5.5 小结77-78
• 第6章 结论与展望78-80
• 参考文献80-86
• 致谢86

【参考文献】

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本文编号：739343