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实心钢制三角皮带轮辊轧成形工艺有限元模拟研究

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第一章绪论

1.1课题来源、背景及研究意义

1.2国内外的研究概况

1.3塑性成形问题求解方法概述

1.4有限元模拟技术发展概述

1.5研究的主要内容与创新之处

1.5.1研究的主要内容

1.5.2创新之处

第二章刚塑性有限元理论基础

2.1有限元的基本思想

2.2基于不同材料本构关系的有限元法

2.3刚塑性有限元基本方程

2.4刚塑性有限元的变分原理

2.4.1不完全广义变分原理

2.4.2 Markov变分原理

2.4.3拉格朗日乘子法

2.4.4罚函数法

第三章三角皮带轮辊轧成形工艺分析

3.1三角皮带轮辊轧成形

3.1.1辊轧成形工艺方案

3.1.2辊轧成形的运动学分析

3.1.3辊轧成形的变形分析

3.2皮带轮辊轧成形的力能参数计算

3.2.1轧制力、轧制力矩的计算公式

3.2.2实验三角皮带轮辊轧成形轧制力、轧制力矩计算

3.3本章小结

第四章实验三角皮带轮辊轧成形有限元模拟

4.1 DEFORM软件简介

4.2实验三角皮带轮有限元模型的建立

4.2.1假设条件

4.2.2模型的建立及计算条件的设定

4.2.3数值模拟研究方案

4.3模拟结果及讨论

4.3.1金属流动规律

4.3.2等效应力和等效应变

4.3.3载荷行程曲线

4.3.4轧辊直径对工件变形影响的模拟分析

4.3.5 工艺方案分析比较

4.4本章小结

第五章实验研究

5.1概述

5.2实验方案

5.2.1实验材料的选取及试样规格

5.2.2实验装置

5.2.3实验过程

5.3实验结果分析

5.4本章小结

第六章汽车空调EC-132A21BE皮带轮辊轧成形有限元模拟

6.1有限元模型的建立

6.1.1轧制毛坯设计

6.1.2模型的建立与计算条件的设定

6.2模拟结果分析

6.2.1两种工艺方案不同轧制阶段的等效应变与等效应力

6.2.2两种工艺方案轧制末期的轧制力、轴向压紧力、力矩比较

6.2.3两种工艺方案轧制末期工件温度场分布及工件外形

6.3本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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摘要

实心钢制三角皮带轮是汽车空调、发电机、水泵等许多重要皮带传动系统中的关键零件。传统的生产工艺为铸造或模锻毛坯,切削加工获得成品零件。辊轧成形是旋转轧制工艺,与传统工艺相比具有大幅提高生产效率和材料利用率、降低产品成本等优点,是一种具有显著综合优势的创新工艺。但由于工艺特殊,工件成形规律复杂,工艺参数不易控制,容易出现工件内径扩大等缺陷,且在理论研究方面还不够成熟,这些问题严重制约了该工艺的广泛应用。 计算机技术的发展,数值模拟技术的进步及不断出现的大型商品化软件,为开发新工艺起到了明显的促进作用。过去几乎无法解决的三维辊轧成形复杂变形问题,如材料流动规律、成形机理、内部应力应变场及流动速度场等,可望得到较满意的解决。本文采用三维刚塑性有限元方法,运用DEFORM-3D软件,首次实现了皮带轮辊轧成形真实过程的数值模拟。 为了更方便地研究辊轧成形的变形机理,按照相似原理,设计了一个小型和简化结构的实验用三角皮带轮模型,分别对该模型进行了成形过程的数值模拟和物理模拟实验研究;然后针对汽车空调三角皮带轮EC-132A21BE的辊轧成形过程进行了数值模拟研究。数值模拟的工艺条件包括:单辊和三棍:工件整体加热和感应局部加热。研究的主要内容包括: (1)通过实验三角皮带轮辊轧成形过程的数值模拟,分析轧制过程中应力、应变变化情况和典型平面上金属流动速度分布,研究了辊轧成形机理,分析了工件内径扩大原因;研究了辊轧成形过程中轧制力的变化规律;分析了4种不同轧辊直径对成形质量的影响;分析比较了三辊轧制与单辊轧制两种工艺。 (2)在车床上以铅材料进行了物理模拟实验研究,得到了理想的皮带轮工件,验证了数值模拟结果的正确性。 (3)针对汽车空调三角皮带轮,分别建立工件整体加热和感应局部加热辊轧成形的有限元模型,分别模拟了两种工艺过程,分析了两种工艺方案不同轧制阶段的等效应变与等效应力;比较了两种工艺方案成形过程的最大轧制力、轴向压紧力、轧制力矩;比较了两种工艺方案轧制末期的温度场分布及工件外形。本研究为皮带轮辊轧成形工艺、模具设计、预测载荷及成形缺陷提供了可靠的理论依据。在本文的基础上,经过进一步深入研究,并结合实验研究改进数值模拟方法和结果,即可得到较完善的皮带轮辊轧成形工艺。大大缩短了开发周期,节省开发成本,因此具有重大的实际意义和经济效益。

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