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矩形钢管拉拔成形三维弹塑性有限元模拟及优化研究

作者：徐轶 Publish: 2006-7-13 Hits:-

【中文题名】

矩形钢管拉拔成形三维弹塑性有限元模拟及优化研究

【英文题名】

Research on 3D Elastic-Plastic Finite Element Simulation and Optimization of Rectangular Steel Tube Drawing

【学科专业】

材料加工工程

【论文级别】

硕士论文

【投稿时间】

2006-7-13

【中关键词】

矩形钢管,拉拔,有限元模拟,“流线型”拉拔模,正交试验设计,

【英关键词】

rectangular steel tube,drawing,FE simulation,streamline die,orthogonal experimental design,

【分类导航】

工业技术>金属学与金属工艺>金属压力加工>拉制、拉拔>拉制、拉拔工艺>

【论文摘要】

矩形钢管是钢结构的最佳立柱材料之一,在建筑、化工、电站等各行各业都有广泛的应用。但是受理论基础和研究方法的限制,目前矩形钢管拉拔工艺仍然采用以经验为主的试验法制定,产品质量难以保证。有限元模拟技术可以获得金属变形更微观全面的认识,已经日益成为塑性成形研究中的有力工具。本文以130×50×3.5mm矩形管为例,对矩形管拉拔成形过程进行研究。首先,通过分析矩形管成形过程的变形特征,以及成形方法和工艺参数对成形的影响,确定采用辊模拉拔与短芯棒拉拔相结合的两道次拉拔工艺方案。在此基础上,建立有限元模型并对矩形管拉拔成形过程进行三维有限元模拟,得到应力应变的分布状况和金属的流动规律。针对矩形管拉拔成形中出现的不足,本文从两个方面对矩形管拉拔成形过程进行优化。一方面,引入流函数法建立拉拔模的模腔曲面方程,对传统的锥形模模腔进行优化,设计出“流线型”拉拔模。通过对“流线型”拉拔进行有限元模拟,并和传统的“直线型”拉拔对比后发现,“流线型”拉拔改善了金属的流动状态,在拉拔稳定性、能量消耗及模具磨损上均优于“直线型”拉拔。另一方面,采用正交试验和数值模拟相结合的方法对拉拔成形的工艺参数进行优化,分析...

【论文题纲】

第一章绪论	15-21
1.1 拉拔概述	15
1.2 拉拔技术的现状和发展前景	15-18
1.2.1 拉拔技术的国内外研究现状	15-17
1.2.2 拉拔技术的发展趋势	17-18
1.3 异型钢管生产	18-19
1.3.1 异型钢管概述	18
1.3.2 我国异型钢管的生产和发展方向	18-19
1.4 本课题研究的目的和主要内容	19-21
1.4.1 研究目的	19
1.4.2 研究主要内容及难点	19-21
第二章大变形弹塑性有限元数值模拟的基本理论	21-30
2.1 大变形弹塑性有限元理论	21-23
2.1.1 拉格朗日描述下的几何与物理度量	21-22
2.1.2 基于J_2流动理论的Mises材料本构方程	22-23
2.2 T.L.法与U.L.法比较	23-24
2.3 非线性方程组的求解方法	24-25
2.4 有限元数值模拟技术	25-26
2.4.1 数值模拟的基本过程	25
2.4.2 矩形管拉拔数值模拟软件的选用	25-26
2.5 接触和摩擦问题的处理	26-30
2.5.1 接触算法	26-27
2.5.2 接触判断	27-28
2.5.3 摩擦处理	28-30
第三章矩形管拉拔变形特征及工艺分析	30-38
3.1 矩形管成形过程变形特征	30-33
3.1.1 辊模拉拔成形	30-31
3.1.2 矩形钢管短芯棒拉拔	31-33
3.2 矩形钢管拉拔工艺分析	33-35
3.2.1 成形方法选择	33-34
3.2.2 周向压缩系数η	34
3.2.3 坯料的确定	34-35
3.2.4 拉拔道次和工艺方案的确定	35
3.3 矩形管拉拔配模设计	35-38
3.3.1 辊模拉拔水平辊设计	35-36
3.3.2 短芯棒拉拔外模设计	36-37
3.3.3 短芯棒设计	37-38
第四章矩形管拉拔成形数值模拟	38-51
4.1 辊模拉拔数值模拟	38-41
4.1.1 有限元模型的建立	38-39
4.1.2 模型参数定义	39
4.1.3 辊模拉拔变形分析	39-40
4.1.4 过渡截面几何形状的获取	40-41
4.2 短芯棒拉拔有限元模型的建立	41-45
4.2.1 有限元模型的建立	41-42
4.2.2 模型参数定义与条件加载	42
4.2.3 数值模拟中的关键技术	42-45
4.2.3.1 几何模型的创建	42-43
4.2.3.2 管料长度的设定	43-44
4.2.3.3 接触判断	44-45
4.3 短芯棒拉拔数值模拟	45-51
4.3.1 变形特征分析	46-48
4.3.1.1 等效塑性应变分析	46-47
4.3.1.2 管料轴向延伸	47-48
4.3.2 应力分析	48-51
4.3.2.1 等效应力分析	48-49
4.3.2.2 接触应力分析	49
4.3.2.3 残余应力分析	49-51
第五章拉拔模模腔曲面优化设计	51-61
5.1 模腔曲面函数的建立	51-54
5.1.1 流函数法概述	51-52
5.1.2 曲面方程的建立	52-54
5.2 “流线型”拉拔数值模拟	54-56
5.2.1 “流线型”拉拔有限元模型	54-55
5.2.2 “流线型”拉拔模数值模拟	55-56
5.3 “流线型”拉拔与“直线型”拉拔模拟结果比较	56-61
5.3.1 变形比较	56-58
5.3.1.1 等效塑性应变比较	56-57
5.3.1.2 轴向延伸比较	57-58
5.3.2 应力比较	58-60
5.3.2.1 等效应力比较	58-59
5.3.2.2 接触应力比较	59-60
5.3.2.3 残余应力比较	60
5.3.3 总应变能比较	60-61
第六章矩形管拉拔工艺参数组合优化	61-71
6.1 试验方案的设计	61-70
6.1.1 正交试验法	61-62
6.1.2 工艺参数的选取	62
6.1.3 正交表设计	62-67
6.1.4 工艺参数组合方案优化	67-70
6.2 最终优化方案与初始方案的比较	70-71
第七章结论	71-73
7.1 全文总结	71-72
7.2 研究展望	72-73
参考文献	73-77
硕士期间发表的学术论文	77

【DOI】

LunWen.ID:2.2008.71771



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