弱刚度件齿圈的热力耦合仿真分析及其验证

发布时间：2017-09-14 07:37

  本文关键词：弱刚度件齿圈的热力耦合仿真分析及其验证

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【摘要】：弱刚度结构件整体形状复杂，外形协调要求高，是典型的难加工结构件。车辆高功率传动系统中典型结构行星架、轮毂、齿圈等就是弱刚度结构件，其刚度低，精度要求高，工艺性差。在切削力、切削热、残余应力、夹紧力、机床振动等多种因素影响下，易发生加工变形，且各个因素之间耦合作用、相互影响，，使得加工变形难以控制。本文从弱刚度结构件齿圈的切削加工性能及其加工变形问题入手，采用理论分析、数值计算、有限元模拟和实验验证的方法，通过对切削力和切削热影响因素的理论分析和仿真研究，探索该零件在切削力和切削热影响下加工变形规律。主要研究工作包括以下几方面: 为得到齿圈Johnson-Cook本构关系模型，针对齿圈材料20Cr2Ni4，做静态和动态力学性能实验。通过实验，测定该材料的材料性能，研究其应力应变关系，并确定Johnson-Cook模型参数，构造该零件的本构关系模型。 针对齿圈粗加工工序，研究刀具与切屑的接触分离、热量的产生与传导、网格的划分等仿真中关键问题及关键技术。建立零件的热力耦合模型，利用该模型对齿圈的切削加工进行二维正交切削的有限元模拟，分析切削加工过程中切屑的形成过程，工件应力、应变、温度场的分布规律，验证了切削过程产生的热量大部分由切屑带走的规律，并得出切削热会影响工件应力分布的结论。 在齿圈切削加工二维模拟的基础上，建立齿圈热力耦合三维仿真模型，仿真其三维加工过程，得到了齿圈在加工过程中切削力、切削温度随时间变化的规律。并基于金属切削加工变形理论，分析研究齿圈在热力耦合作用下的变形情况，得出齿圈变形趋势。 最后，单独研究切削热。分析切削参数对切削热的影响规律，并设计实验验证仿真结果，证明仿真模型的可靠性。在此基础上，通过模拟考虑温度场和不考虑温度场两种情况下齿圈的变形情况，得出切削热将增大齿圈的变形，但温度上升到一定范围内，对齿圈变形影响有限的结论。
【关键词】：弱刚度结构件 齿圈 热力耦合 切削热 加工变形
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG506
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 课题研究的背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状及存在的问题11-14
• 1.2.1 弱刚度结构件加工变形研究现状11-12
• 1.2.2 热力耦合建模分析与应用研究现状12-13
• 1.2.3 本构关系研究现状13-14
• 1.2.4 现阶段研究存在的主要问题14
• 1.3 课题的主要研究内容14-16
• 第2章 齿圈材料力学性能实验及其本构方程16-27
• 2.1 静态力学性能实验17-18
• 2.1.1 实验方案17
• 2.1.2 实验装置及实验过程17
• 2.1.3 实验结果分析17-18
• 2.2 动态力学性能实验18-24
• 2.2.1 实验方案18-19
• 2.2.2 实验装置及实验过程19-20
• 2.2.3 实验结果分析20-24
• 2.3 本构方程的构建24-25
• 2.3.1 Johnson-Cook本构关系模型24
• 2.3.2 本构方程参数的确定24-25
• 2.4 本章小结25-27
• 第3章 齿圈切削加工热力耦合二维有限元仿真27-45
• 3.1 齿圈切削加工热力耦合理论27-33
• 3.1.1 齿圈加工热力耦合问题27-29
• 3.1.2 齿圈加工过程切削力理论预测模型29-32
• 3.1.3 齿圈加工过程切削温度理论预测模型32-33
• 3.2 齿圈切削加工有限元仿真前处理33-37
• 3.2.1 刀具与切屑的接触34-35
• 3.2.2 刀具与切屑的分离35-36
• 3.2.3 网格的划分36
• 3.2.4 切削热的产生与传导36-37
• 3.3 齿圈切削加工过程有限元仿真37-40
• 3.4 齿圈仿真结果与分析40-44
• 3.4.1 齿圈切屑成形分析40-41
• 3.4.2 齿圈应力应变分析41-42
• 3.4.3 齿圈切削温度仿真结果分析42-43
• 3.4.4 切削热对应力分布的影响分析43-44
• 3.5 本章小结44-45
• 第4章 齿圈加工变形热力耦合三维有限元仿真45-54
• 4.1 金属切削加工变形理论45-46
• 4.2 齿圈切削加工三维有限元仿真46-50
• 4.3 齿圈仿真结果与分析50-53
• 4.3.1 齿圈加工变形仿真结果及分析50-51
• 4.3.2 切削力仿真结果及分析51
• 4.3.3 切削热仿真结果及分析51-53
• 4.4 本章小结53-54
• 第5章 切削热对齿圈加工变形的仿真分析与实验54-61
• 5.1 切削参数对切削温度的影响分析54-58
• 5.1.1 切削速度对切削温度的影响54-55
• 5.1.2 进给量对切削温度的影响55-56
• 5.1.3 切削深度对切削温度的影响56-58
• 5.2 切削热对齿圈加工变形的影响分析58-60
• 5.2.1 不考虑温度场时齿圈变形分析58
• 5.2.2 考虑温度场时齿圈变形分析58-60
• 5.3 本章小结60-61
• 第6章 结论与展望61-63
• 6.1 结论61-62
• 6.2 展望62-63
• 参考文献63-67
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单67-68
• 致谢68

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：848751