冷挤压凹模强度设计及应力场分析

发布时间：2017-08-31 16:21

  本文关键词：冷挤压凹模强度设计及应力场分析

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【摘要】：冷挤压凹模服役时,由于坯料塑性变形时的能量交换以及凹模与坯料接触面间材料的高速流动,使其在承受高温和超高交变载荷作用时容易失效。因此,提高凹模结构强度是保证其长期高效稳定工作的前提条件。为了降低凹模内壁处的峰值应力以及均匀化壁厚方向的应力水平,本文引入了自增强技术和预应力结构,分析了凹模残余应力场对工作应力场的正向增益作用,为凹模的强度设计提供了参考。本文基于弹塑性基础理论、有限元法、最优化方法对整体式自增强凹模、多层套缩组合凹模、自增强-套缩双层组合凹模三种结构的凹模强化机制进行了探讨。主要研究内容如下：基于双向幂硬化本构关系及最大应变能理论,建立了整体式凹模自增强力学模型。分析了自增强凹模工作时的最大承载能力以及自增强处理时最佳弹塑性半径的影响因素。运用有限元技术对凹模自增强工艺过程进行了仿真,数值解和解析解吻合较好。通过对比分析自增强处理前后凹模等效应力的变化趋势,验证了自增强处理对提高凹模承载能力的有效性。基于厚壁圆筒理论,分析了整体式凹模工作载荷特点,讨论了单纯通过增加壁厚来提高模具强度的局限性。为提高承载能力,探讨了多层预应力组合凹模方案。以最大应变能理论为强度条件,在组合凹模总径比及各层材料参数已知的前提下,以各层径比为设计变量,以组合凹模最大承载能力为优化目标,采用Lagrange乘子法对组合凹模参数进行了优化设计,获得了各层最佳径比、凹模极限承载压力、最优套缩压力以及最优过盈量的解析解。将自增强技术与多层套缩技术相结合,可以使凹模的弹性极限承载压力进一步得到提升。在保证模具强度的前提下,可以使模具结构紧凑,降低制造成本。本文的分析方法及研究结论对完善冷挤压凹模的强度设计,提高凹模的服役寿命具有一定的参考价值和理论意义。
【关键词】：冷挤压 自增强技术 组合凹模 残余应力 强度设计
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG375.4
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-9
• ABSTRACT9-17
• 主要符号说明17-18
• 第一章 绪论18-26
• 1.1 课题的研究背景及意义18-20
• 1.2 冷挤压凹模强化研究现状20-24
• 1.2.1 模具材料方面的研究20-21
• 1.2.2 全弹性整体式凹模应力分析21
• 1.2.3 多层套缩预应力凹模21-22
• 1.2.4 自增强技术在冷挤压凹模中的应用22-24
• 1.3 课题来源和主要研究内容24-26
• 1.3.1 课题来源24-25
• 1.3.2 研究内容25-26
• 第二章 冷挤压凹模自增强理论解析与数值分析26-43
• 2.1 冷挤压凹模自增强理论分析26
• 2.1.1 整体式自增强凹模结构模型26
• 2.2 材料的本构关系及自增强凹模基本假设26-28
• 2.2.1 双向幂硬化材料本构模型26-27
• 2.2.2 自增强凹模基本假设27-28
• 2.3 自增强凹模应力分析28-31
• 2.3.1 弹塑性加载应力分析28-29
• 2.3.2 弹性卸载应力分析29-30
• 2.3.3 残余应力分析30
• 2.3.4 凹模工作应力分析30-31
• 2.3.5 自增强凹模工作时最大弹性承载能力分析31
• 2.4 自增强压力理论分析31-32
• 2.4.1 自增强压力和弹塑性交界面半径的关系31-32
• 2.4.2 自增强压力和反向屈服半径的关系32
• 2.4.3 自增强压力范围确定32
• 2.5 自增强处理后内壁径向残余位移分析32-33
• 2.6 最佳弹塑性半径的确定方法33
• 2.7 材料的拉压实验33-35
• 2.8 挤压凹模自增强处理有限元分析35-42
• 2.8.1 有限元数值分析理论基础35-36
• 2.8.2 ABAQUS有限元建模36
• 2.8.3 不同自增强压力下的数值模拟结果及分析36-37
• 2.8.4 双向幂硬化模型与理想弹塑性模型对比分析37-38
• 2.8.5 自增强凹模应力分析38-41
• 2.8.6 自增强效果的影响因素分析41-42
• 2.9 本章小结42-43
• 第三章 冷挤压凹模结构设计与承载能力分析43-57
• 3.1 筒形件冷挤压凹模工作载荷失效分析43-44
• 3.2 整体式挤压凹模受力分析44-46
• 3.3 多层冷挤压组合凹模受力分析46-48
• 3.3.1 多层组合凹模结构及挤压应力的弹性解46-47
• 3.3.2 多层组合凹模优化设计数学模型47-48
• 3.4 多层组合凹模优化结果及其分析48-51
• 3.4.1 总径比K的最佳分配48-49
• 3.4.2 组合凹模所能承受的极限工作内压分析49-50
• 3.4.3 组合凹模界面套缩残余压力分析50
• 3.4.4 组合凹模最优过盈量设计50-51
• 3.5 三层组合凹模优化及应力分析51-55
• 3.5.1 最优凹模参数设计51-52
• 3.5.2 三层组合凹模应力场分析52-54
• 3.5.3 与等径比三层组合凹模及整体式凹模对比54-55
• 3.5.4 与等径比整体式自增强凹模比较55
• 3.6 本章小结55-57
• 第四章 自增强-套缩组合凹模结构分析57-77
• 4.1 套缩压力作用下双层组合凹模应力解析57-60
• 4.1.1 弹性极限套缩压力57-58
• 4.1.2 双层组合凹模弹塑性解析58-60
• 4.2 自增强-套缩双层组合凹模理论模型的建立60-66
• 4.2.1 残余应力场分析60-63
• 4.2.2 有无工作内压时套缩界面压力关系求解分析63-64
• 4.2.3 工作应力分析64-65
• 4.2.4 最大承载能力分析65-66
• 4.2.5 尺寸精度和过盈量控制分析66
• 4.3 有限元建模分析66-67
• 4.4 仿真结果与分析67-75
• 4.4.1 套缩效应对自增强残余应力场的影响67-72
• 4.4.2 超应变度对自增强-套缩组合凹模残余应力场的影响72-73
• 4.4.3 径比对自增强-套缩组合凹模残余应力场的影响73-74
• 4.4.4 自增强-套缩组合凹模工作应力分析74-75
• 4.5 本章小结75-77
• 第五章 结论与展望77-79
• 5.1 全文内容总结77-78
• 5.2 论文主要创新点归纳78
• 5.3 研究展望78-79
• 参考文献79-83
• 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况83

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