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文檔簡介

哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 電站鍋爐彎管成形質(zhì)量分析及模具改進(jìn)研究 摘要 彎管技術(shù)廣泛應(yīng)用于鍋爐及壓力容器制造業(yè) 汽車工業(yè) 航空航天工 業(yè) 船舶制造業(yè)等多種領(lǐng)域 占有十分重要的地位 但由于彎管工藝非常復(fù) 雜 單純采用理論解析方法難以準(zhǔn)確可靠地解決實(shí)際生產(chǎn)問題 運(yùn)用簡化力 學(xué)模型得到的經(jīng)驗(yàn)公式往往與實(shí)際結(jié)果有較大的出入 采用試驗(yàn)手段又會造 成時間和人力物力上的很大消耗 本文運(yùn)用m s c m a r c 有限元軟件對某鍋爐廠有限責(zé)任公司的冷彎管加 工過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬 建立一套完整的有限元彎管模擬系統(tǒng) 試驗(yàn)表 明該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確預(yù)測包括橢圓度 減薄率 回彈量在內(nèi)的彎管質(zhì)量參數(shù)和 設(shè)備驅(qū)動力 根據(jù)分析對現(xiàn)有的大型冷彎管模具進(jìn)行了改進(jìn) 并設(shè)計(jì)出一套 具有實(shí)用價(jià)值的組合可調(diào)節(jié)式小型彎管模具 主要內(nèi)容如下 1 通過對管件彎曲的受力狀態(tài)分析 建立了相應(yīng)的有限元模型 推導(dǎo) 了應(yīng)力應(yīng)變場與能量公式 利用m s c m a r c 軟件對彎管系統(tǒng)進(jìn)行了三維有 限元非線形模擬分析 為彎管成形質(zhì)量分析奠定了一定的基礎(chǔ) 2 采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬 有限元分析 理論分析與試驗(yàn)結(jié)合的方法 對影響彎管質(zhì)量的橢圓度 減薄率 回彈量等成形質(zhì)量因素進(jìn)行了研究 從 仿真角度研究電站鍋爐彎管生產(chǎn)工藝過程 預(yù)測該工藝的變形 以解決傳統(tǒng) 彎管工藝成形時彎管凸邊管壁受拉減薄 凹邊管壁受壓增厚而造成的彎管壁 厚不均勻現(xiàn)象及模具易損壞等問題 3 通過對成形質(zhì)量的分析 對大型彎管機(jī)的滑槽進(jìn)行了移動式改進(jìn) 來解決一些厚壁管件無法彎制的問題 對小型彎管機(jī)設(shè)計(jì)了組合可調(diào)式模 具 可充分解決小管徑管材彎曲模具浪費(fèi)問題 本文建立的彎管模擬系統(tǒng)對彎管加工流程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬 對彎管 橢圓度 減薄率 回彈量等質(zhì)量參數(shù)和設(shè)備驅(qū)動力以及彎管質(zhì)量影響因素進(jìn) 行了研究 經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證 本文所建立的有限元模擬系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的經(jīng) 驗(yàn)公式方法和試制法 已經(jīng)在企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果 關(guān)鍵詞冷彎管 數(shù)值模擬 橢圓度 減薄率 回彈 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 s t u d yo nf o r m i n gq u a l i t ya n a l y s i sa n di m p r o v e d d i eo fb e n d i n gt u b ea b o u tp o w e rp l a n tb o i l e r o n a b s t r a c t t h et u b e b e n d i n gt e c h n o l o g yh a sv e r yi m p o r t a n ts t a t u sw h i c hi sw i d e l y a p p l i e di nm a n yf i e l d s s u c ha sv e s s e lm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y a u t o m o b i l e i n d u s t r y a e r o s p a c ei n d u s t r y s h i p sm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y a n ds oo n 碭e b e n d i n gp r o c e s si sag r e a t l yc o m p l e xt e c h n o l o g y s ow ec a n tr e l i a b l ys o l v et h e a c t u a lp r o d u c t i o np r o b l e mt h r o u g ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i ss i m p l y t l l ee m p i r i c a l f o r m u l ao b t a i n e db ys i m p l i f i c a t i o nm e c h a n i c a lm o d e lo f t e nh a sg r e a te r r o r s i t h a c t u a lr e s u l t a n da d o p t i n ge x p e r i e n c ew a yo f t e nw a s t e sl o t so fm a n p o w e ra n d m a t e r i a lr e s o u r c e i nt h i sp a p e r w eh a v ef i n i s h e dc o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rc o l dt u b e b e n d i n gp r o c e s so fh a r b i nb o i l e rf a c t o r yb ym s c m a r cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r e a n dh a v eb u i l ta s e to fc o m p l e t ef i n i t ee l e m e n tt u b e b e n d i n gs i m u l a t e d s y s t e m w h i c hc a l le x a c t l yf o r e c a s tt u b e b e n d i n gq u a l i t yp a r a m e t e ra n dd e v i c e d r i v i n gf o r c ei n c l u d i n go r a l i t y t h i n n i n gr a t ea n dr e s i l i e n c ev a l u e b a s eo nt h e a n a l y s i s w eh a v ei m p r o v e dt h ee x i s t i n g c o l d t u b e b e n d i n gd i e a n d h a v e d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e das e to fp r a c t i c a l i t y c o m b i n e da d j u s t a b l et u b e b e n d i n gm o u l dt h r o u g h t l l ep r i m a r yc o t c n ti s 弱f o l l o w s 1 w eh a v ef i n i s h e db e n d i n gf o r c ea n a l y s i s b u i l tr e l e v a n tm e c h a n i c sm o u l d a n dd e d u c e ds t r e s s s t r a i nf i e l da n de n e r g yf o r m u l a a l lo ft h e s es e t t l eaa n a l y s i s f o u n d a t i o nf o rt u b e b e n d i n gt h r e e d i m e n s i o n a l f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a l s i m u l a t i o n 2 c o m b i n i n gc o m p u t e rs i m u l a t i o n f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h e o r ya n a l y s i s w i t h e x p e r i m e n t t h ep a p e rs t u d y o n q u a l i t yf o r m i n g f a c t o r ss u c ha s o r a l i t y t h i n n i n g r a t ea n ds p r i n g b a c k o nt h ev i e wo fs i m u l a t i o n w eh a v e r e s e s r c h e dt h e p r o d u c t i o np r o c e s s o ft u b e b e n d i n g a n dh a v ef o r e c a s t e d t r a n s f i g u r a t i o no ft h et e c h n i c s t h i sm e t h o dc a ne f f e c t i v e l ys o l v et h ep r o b l e m so f 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 t u b e b e n d i n gt h i c k n e s sa s y m m e t r y w h i c ha r ec a u s e db yt h ec h i m bo ft u b e b e n d i n gb e c o m i n gt h i n n i n ga n dt h e c o n c a v eo ft u b e b e n d i n g b e c o m e i n g i n c r e s s a t i o nw h e ns h a p eu pb yt h et r a d i t i o nt u b e b e n d i n gt e c h n i c s 3 a c c o r d i n gt oa n a l y z i n gf o r m i n gq u a l i t y w eh a v ei m p r o v e dt h es l o to f t h e t u b e b e n d i n gm a c h i n e s o l v e dt h ep r o b l e m st h a te q u i p m e n tc a n n o tb e n ds o m e t h i c kt u b e t h ec o m b i n e da c c o m m o d a t ed i ed e s i g n e df o rm i n i t y p et u b e b e n d i n g m a c h i n eh a v ew e l ls o l v e dt h ed i ew a s t ep r o b l e m s k e y w o r d sc o l dt u b e b e n d i n g n u m e f i c f ls i m u l a t i o n o r a l i t y t h i n n i n gr a t e s p r i n g b a c k i 哈爾濱理工大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 此處所提交的碩士學(xué)位論文 電站鍋爐彎管成形質(zhì)量分析 及模具改進(jìn)研究 是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下 在哈爾濱理工大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間 獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果 據(jù)本人所知 論文中除已注明部分外不包含他 人已發(fā)表或撰寫過的研究成果 對本文研究工作做出貢獻(xiàn)的個人和集體 均已在 文中以明確方式注明 本聲明的法律結(jié)果將完全由本人承擔(dān) 作者簽名 才勞朔 日劫d 多年孑月 歲e l 哈爾濱理工大學(xué)碩士學(xué)位論文使用授權(quán)書 電站鍋爐彎管成形質(zhì)量分析及模具改進(jìn)研究 系本人在哈爾濱理工大學(xué) 攻讀碩士學(xué)位期間在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的碩士學(xué)位論文 本論文的研究成果歸哈 爾濱理工大學(xué)所有 本論文的研究內(nèi)容不得以其它單位的名義發(fā)表 本人完全了 解哈爾濱理工大學(xué)關(guān)于保存 使用學(xué)位論文的規(guī)定 同意學(xué)校保留并向有關(guān)部門 提交論文和電子版本 允許論文被查閱和借閱 本人授權(quán)哈爾濱理工大學(xué)可以采 用影印 縮印或其他復(fù)制手段保存論文 可以公布論文的全部或部分內(nèi)容 本學(xué)位論文屬于 保密口 在年解密后適用授權(quán)書 不保密團(tuán) 請?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打4 作者簽名 導(dǎo)師簽名 于勞搠 瓠一桶 日期汐護(hù)呂年孑月 r 日 日期矽口多年 月 re l 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 引言 第1 章緒論 彎管作為金屬成形制造的一個重要組成部分漸漸引起了越來越多人的關(guān)注 和研究 在大的領(lǐng)域如航空航天工業(yè) 船舶制造業(yè)和其它兵工系統(tǒng)都廣泛應(yīng) 用 在小領(lǐng)域中各種物料的管道運(yùn)輸系統(tǒng)日益增多 如石油輸送管道 天然氣 輸送管道 輸水管道以及應(yīng)用在各種機(jī)器中的小型管道管路系統(tǒng) 在這些管道 系統(tǒng)中 管道常需要改變方向1 1 1 那么 不可避免地要用到各種彎管 各種直 徑 各種角度的圓弧彎管大多是用各種手動或機(jī)械彎管機(jī)加工生產(chǎn)出來的 目 前 市場上加工彎管機(jī)械設(shè)備型號 規(guī)格非常多 其工作原理也有所不同 彎管的工藝過程是一個復(fù)雜的彈性 塑性變形過程 材料發(fā)生彈性或塑性 變形主要取決于材料內(nèi)部的應(yīng)力與應(yīng)變 而材料內(nèi)部的應(yīng)力或應(yīng)變主要由作用 在材料上的外載荷引起的 在彎管過程中 管子彎曲部分內(nèi)部的應(yīng)力及應(yīng)變將 發(fā)生復(fù)雜的變化 應(yīng)力及應(yīng)變的大小 方向及變化速度將影響到彎管的質(zhì)量 彎管過程中出現(xiàn)的各種質(zhì)量缺陷 如外管壁出現(xiàn)裂紋 內(nèi)管壁起皺 橫截面畸 變等 一方面與材料本身性質(zhì)有關(guān) 另一方面與彎管機(jī)施加在管子上外載荷大 小 方向 速度及外載荷間相對位置有關(guān) 本文嘗試從分析彎管工藝過程的內(nèi) 應(yīng)力及應(yīng)變?nèi)胧?得出影響彎管質(zhì)量的外在因素 為各種彎管機(jī)的設(shè)計(jì) 彎管 上工藝參數(shù)的選擇提供理論基礎(chǔ)上的支持 本文主要針對電站鍋爐的管件彎曲過程進(jìn)行分析 冷彎管是彎管業(yè)現(xiàn)今比 較常用的管材彎曲方法 也是一種比較經(jīng)濟(jì)簡便的傳統(tǒng)彎管方法 經(jīng)實(shí)驗(yàn)研 究 無論是跟據(jù)應(yīng)變硬化現(xiàn)象還是形變熱處理理論及實(shí)驗(yàn) 都說明冷加工能提 高屈服強(qiáng)度2 0 一3 0 嘲 而且 由于近年來數(shù)控技術(shù)的成熟 使得數(shù)控冷彎 管方法以其準(zhǔn)確 穩(wěn)定 易于控制的特點(diǎn)在各種中頻感應(yīng)加熱彎管機(jī)等新型產(chǎn) 品中脫穎而出 而得到廣泛的應(yīng)用 3 l 正因?yàn)槔鋸澒苡腥绱硕嗟膬?yōu)點(diǎn) 冷彎管的工藝參數(shù)制定成為當(dāng)前的行業(yè)熱 點(diǎn) 由于彎管工藝過程非常復(fù)雜 單純采用理論解析方法難以準(zhǔn)確可靠地解決 生產(chǎn)實(shí)際問題 運(yùn)用簡化力學(xué)模型得到經(jīng)驗(yàn)公式又往往與實(shí)際結(jié)果有較大的出 入 采用實(shí)驗(yàn)手段又會造成時間和人力物力上的很大消耗t 4 1 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā) 展和有限元軟件算法的完善使得運(yùn)用大型通用有限元軟件進(jìn)行復(fù)雜的工藝分析 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 成為可能 卯 本文就是運(yùn)用大型通用有限元軟件m s c m a r c 對某鍋爐廠有限 責(zé)任公司的主要生產(chǎn)方法一冷彎管加工進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬 建立一套完整的 彎管模擬系統(tǒng) 能夠準(zhǔn)確預(yù)測冷彎管制造中包括橢圓度 減薄率 回彈量在內(nèi) 的彎管質(zhì)量參數(shù)和設(shè)備驅(qū)動力 6 l 并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 最后對大型彎管模具進(jìn)行 了改進(jìn)并設(shè)計(jì)出一套方便簡捷的組合可調(diào)節(jié)模具 1 2 彎管技術(shù)簡介 彎管技術(shù)廣泛應(yīng)用于鍋爐及壓力容器 空調(diào)制造 汽車 航空航天等多種 行業(yè) 彎管質(zhì)量的好壞 將直接影響車架以及整車的結(jié)構(gòu)合理性 安全性 可靠 性等 為了彎制出高質(zhì)量的管件 就應(yīng)該掌握管件彎曲加工技術(shù) 在數(shù)控彎管機(jī) 上彎管 合理選擇彎曲方式以及掌握數(shù)據(jù)處理和程序編制方法非常必要r 刀 管材彎曲按不同類別分可以分為許多類型 彎管技術(shù)在制造業(yè)高度發(fā)達(dá)的 今天已經(jīng)相當(dāng)成熟 常用彎管方法從管材受力形式上分為 壓彎 滾彎 繞 彎 擠彎四種 其中繞彎使用最廣 繞彎又可分為拉拔式 碾壓式和推壓式 從管材是否加熱可分為 冷彎和熱彎 從管材內(nèi)是否加芯子又可分為 有芯彎 管和無芯彎管 8 l 本文研究的類型是拉拔式無芯冷彎彎管 其彎曲過程如圖1 1 所示 模具 圖1 1 彎管過程示意圖 f i g 1 1 d i a g r a mo f t u b e b e n d i n gp r o c e s s 模具通過十字鍵固定在機(jī)床設(shè)備上 由電機(jī)帶動十字鍵旋轉(zhuǎn) 從而帶動模 具旋轉(zhuǎn) 固定夾塊用螺釘安裝在模具上 形成夾緊管子的直段 管子放入固定 夾塊型腔中 活動夾塊借助油缸的壓力或偏心軸的鎖緊力夾緊管子 滑槽的型 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 腔限制管子尾部轉(zhuǎn)動 使之不能隨模具轉(zhuǎn)動 然后固定夾塊 活動夾塊 扇形 盤一同旋轉(zhuǎn) 在模具的綜合作用下實(shí)現(xiàn)管子冷彎成形 其部件結(jié)構(gòu)如1 2 所 不 1 3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 圖1 2 管材彎曲部件結(jié)構(gòu)圖 f i g 1 2s t r u c t u r eo fb e n d i n gp a r t 1 3 1 有限元在塑性成型中的應(yīng)用 彎管技術(shù)過程本身屬于金屬塑性成形的范疇 金屬塑性成形技術(shù)是現(xiàn)代化 制造業(yè)中金屬加工的重要方法之一 它是金屬材料在模具和鍛壓設(shè)備作用下發(fā) 生變形 獲得所需要求的形狀 尺寸和性能的制件的加工過程 金屬成形件在 汽車 飛機(jī)儀表 機(jī)械設(shè)備等產(chǎn)品的零部件中占有相當(dāng)大的比例 由于其具有 生產(chǎn)效率高 生產(chǎn)費(fèi)用低的特點(diǎn) 適合于大批量生產(chǎn) 在2 1 世紀(jì) 材料塑性成形技術(shù)一方面正在從制造工件的毛坯向直接制造 工件 即精確成形或稱凈成形方向發(fā)展 另一方面 為控制或確保工件品質(zhì) 材料塑性成形技術(shù)已經(jīng)從經(jīng)驗(yàn)走向有理論指導(dǎo) 成形過程的計(jì)算機(jī)模擬仿真技 術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段 9 l 也是現(xiàn)代高速發(fā)展的制造業(yè)的重要成形工藝 據(jù)統(tǒng) 計(jì) 在發(fā)達(dá)國家中 金屬塑性成形件的產(chǎn)值在國民經(jīng)濟(jì)中的比重居行業(yè)之首 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 在我國也占有相當(dāng)大的比例 塒 隨著現(xiàn)代制造業(yè)的高速發(fā)展 對塑性成形工藝分析和模具設(shè)計(jì)方面提出了 更高的要求 許多以前可以使用的管件彎曲成品在當(dāng)今的工廠中已經(jīng)不能接 受 甚至成為不合格產(chǎn)品 若工藝分析不完善 模具設(shè)計(jì)不合理或材料選擇不 當(dāng) 則會造成產(chǎn)品達(dá)不到質(zhì)量要求 造成大量的次品和廢品 增加了模具的設(shè) 計(jì)制造時間和費(fèi)用 為了防止缺陷的產(chǎn)生 以提高產(chǎn)品質(zhì)量 降低產(chǎn)品成本 國內(nèi)外許多大公司企業(yè)及大專院校和研究機(jī)構(gòu)對塑性成形件的性能 成形過程 中的應(yīng)力應(yīng)變分布及變化規(guī)律進(jìn)行了大量的理論分析 實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值計(jì)算 力圖發(fā)現(xiàn)各種制件 產(chǎn)品成形工藝所遵循的共同規(guī)律以及力學(xué)失效所反映的共 同特征 由于塑性成形工藝影響因素甚多 有些因素如摩擦與潤滑 變形過程 中材料的本構(gòu)關(guān)系等機(jī)理尚未被人們完全認(rèn)識和掌握 因而到目前為止還未能 對各種材料各種形狀的制件成形過程作出準(zhǔn)確的定量判定 正因?yàn)榇笞冃螜C(jī)理 非常復(fù)雜 使得塑性成形研究領(lǐng)域一直成為一個充滿挑戰(zhàn)和機(jī)遇的領(lǐng)塒1 1 總體的說 對一種領(lǐng)域或產(chǎn)品的研究與開發(fā)的目標(biāo)之一就是確定生產(chǎn)高質(zhì) 量產(chǎn)品的優(yōu)化準(zhǔn)則 而不同的產(chǎn)品要求不同的優(yōu)化準(zhǔn)則 建立適當(dāng)?shù)膬?yōu)化準(zhǔn)則 需要對產(chǎn)品制造過程的全面了解 在傳統(tǒng)工藝分析和模具設(shè)計(jì)中 主要還是依 靠工程類比和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn) 經(jīng)過反復(fù)試模修模 調(diào)整工藝參數(shù)以期望消除成形過 程中的產(chǎn)品缺陷如失穩(wěn)起皺 充填不滿 局部破裂等 僅僅依靠類比和傳統(tǒng)的 經(jīng)驗(yàn)工藝分析和模具設(shè)計(jì)方法已無法滿足高速發(fā)展的現(xiàn)代金屬加工工業(yè)的要 求 因此 現(xiàn)代金屬成形工藝分析過程中 建立適當(dāng)?shù)?過程模擬 非常重要 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 人們已經(jīng)認(rèn)識到數(shù)值模擬在金屬成形工程中的重要價(jià) 值 這一領(lǐng)域已成為現(xiàn)代國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)f l 甜 盡管塑性加工中的有限元理論及技術(shù)都有很大的發(fā)展 國內(nèi)外的學(xué)者在一 些方面已取得豐碩的成果 但由于塑性成形自身的特點(diǎn) 使得有限元在這個領(lǐng) 域中的應(yīng)用還存在許多具體的難題 如 如何建立一個能真實(shí)反映材料在成形 過程中變形規(guī)律的本構(gòu)關(guān)系 摩擦接觸問題的處理 如何在分析過程中自動生 成高質(zhì)量的三維有限元網(wǎng)格及網(wǎng)格重劃問題 宏觀模擬和微觀組織預(yù)測等 這 些問題都急待解決 都是值得進(jìn)一步開發(fā)研究的重要課題 1 3 2 彎管成形的研究現(xiàn)狀 自上世紀(jì)七十年代以來 日本等國家為開發(fā)彎管技術(shù)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研 究 取得了很大進(jìn)展 經(jīng)過幾十年的發(fā)展 國外已經(jīng)生產(chǎn)出了各種規(guī)格型號的 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 彎管設(shè)備 可以制造相對彎曲半徑為1 0 一1 5 彎曲角度在0 1 8 0 范圍內(nèi) 的任意角度的彎管 胡福泰針對局部加熱無模彎管過程建立了簡化的有限元模型 開發(fā)了相應(yīng) 的可預(yù)報(bào)管材彎曲后斷面畸變的三維剛塑性有限元程序 但該程序只適用于局 部加熱無模彎管的穩(wěn)態(tài)變形階段 1 3 1 w e l ot 和p a u l s e nf 等采用有限元軟件m s c m a r c 5 2 對擠壓鋁合金單 雙室矩形管繞彎和拉彎過程進(jìn)行了三維彈塑性數(shù)值模擬 1 4 1 3 1 研究了材料 工 藝及模具參數(shù)對成形過程的影響 其中彎曲模的轉(zhuǎn)動是通過嵌入作者自編的程 序?qū)崿F(xiàn)的 結(jié)果表明 采用內(nèi)部芯棒能有效地防止起皺的波紋高度和外側(cè)翼板 的塌陷 翼板的等效寬厚比是影響截面局部變形程度的重要因素 采用預(yù)拉工 藝能減少起皺和回彈 減小應(yīng)變硬化指數(shù)和增大軸向力有助于回彈的減小 模 擬過程中 管坯采用的是計(jì)算效率較低的八節(jié)點(diǎn)六面體單元 并且為提高該單 元的彎曲性能 還采用了假設(shè)應(yīng)變公式 這又進(jìn)一步降低了計(jì)算的效率 而在近幾年 彎管的熱點(diǎn)問題已經(jīng)轉(zhuǎn)為彎曲成形后的回彈問題 回彈問題 相當(dāng)復(fù)雜 目前關(guān)于薄壁件塑性加工中回彈問題的研究已成為材料加工領(lǐng)域中 的一個熱點(diǎn) 國內(nèi)外已有許多學(xué)者對其進(jìn)行了研究 并獲得了大量的研究成 果 k i n a s t e l s o n 等人對管繞彎成形中的回彈角的預(yù)測與控制作了比較全面的 闡述f 1 6 l 文中提到 在彎曲角大于1 0 度時 彎管回彈角與彎曲角呈線性關(guān)系 小于1 0 度時呈非線性關(guān)系 在此基礎(chǔ)上 提出實(shí)現(xiàn)回彈角預(yù)測的三步方案 1 對特定規(guī)格管材 分別作一次小角度彎曲和一次大角度彎曲 通過兩次彎曲的 回彈數(shù)據(jù)建立兩段直線回彈模型 見圖1 3 1 7 1 2 在彎管件的實(shí)際生產(chǎn)過程 中 實(shí)時測量更多的回彈角數(shù)據(jù) 3 修改 完善歷史回彈模型以便更精確地對 回彈進(jìn)行預(yù)測 文中還指出 管彎曲中存在復(fù)加載效應(yīng) 即第一次彎曲到某一 角度卸載后 再次加載時 須過彎一定角度 過彎角度至少為7 度 才能達(dá)到 首次彎曲時的彎管應(yīng)力狀態(tài) 由于復(fù)加載效應(yīng)的存在 所以基于實(shí)測回彈角數(shù) 據(jù)的回彈補(bǔ)償可能不完全 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 e 圖l 3 回彈模型圖 f i g 1 3s p r i n g b a c km o d e lg r a p h 日本學(xué)者田中伸司等采用二維剛塑性f e m 分析管材繞彎過程 他們將內(nèi) 部有液壓負(fù)荷的圓管和方管 采用環(huán)狀模進(jìn)行模擬 即將圓管和方管繞彎過程 簡化為二維準(zhǔn)軸對稱問題進(jìn)行近似三維分析 通過有限元模擬獲得斷面形狀的 變化 研究了液壓力對方管和圓管斷面形狀的影響 1 s 1 9 1 目前針對管材彎曲成形從理論 實(shí)驗(yàn)方面著手研究的較多 基于數(shù)值模擬 研究的較少 針對加熱彎曲成形研究的多 而對冷彎成形研究的少 針對矩形 管彎曲研究的多 針對圓管彎曲研究的少 因此 采用有限元法模擬管材彎曲 成形過程 并與優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合構(gòu)筑基于理論 經(jīng)驗(yàn)和數(shù)值模擬的專用系統(tǒng)是 管材彎曲研究發(fā)展的趨勢f 2 0 1 4 課題來源與研究意義 目的和內(nèi)容 1 4 1 課題來源 本課題來自黑龍江省科技攻關(guān)項(xiàng)目一電站鍋爐彎管三維c a d c a p p c a e 系統(tǒng)集成及模具改進(jìn)研究 c c 0 5 a 5 2 4 1 4 2 主要研究意義 該項(xiàng)目雖然是針對電站鍋爐彎管的成形質(zhì)量進(jìn)行分析 但留有擴(kuò)展口 稍 加改動可適用于解決石油化工 汽車工業(yè) 航空航天工業(yè) 船舶制造業(yè)等多種 行業(yè)中的彎管工藝問題 因此有廣闊的市場前景 而管件彎制在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用也決定了對彎管成形質(zhì)量的分析具有重 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 要的研究意義 1 4 3 主要研究目的 管材的彎曲和板料的彎曲一樣 在純彎曲的情況下 外徑為d 壁厚為t 的管子受外力矩m 作用發(fā)生彎曲時 中性層外側(cè)管壁受拉應(yīng)力仃l 作用 管壁變 薄 中性層內(nèi)側(cè)管壁受拉應(yīng)力0 2 作用 管壁變厚 見圖1 5 a l 2 1 1 而且 橫截面 的形狀由于受合力點(diǎn)和五的作用由圓形變?yōu)榻茩E圓形 見圖1 5 b 當(dāng)變形量 過大時 外側(cè)管壁會產(chǎn)生裂紋 內(nèi)側(cè)管壁會出現(xiàn)起皺 見圖l 一6 dd 圖1 5 管子彎曲時的受力與變形 f 遮 1 5f o r c ea n dm e t a m o r p h o s ew h e nb e n d i n g t h et u b e 一1 一 d 開裂 一一 l b 起皺 圖1 石管子彎曲時的缺陷 f i g 1 6l i m i t a t i o nw h e nb e n g d i n gt h et u b e 研究任何領(lǐng)域都應(yīng)該先從該技術(shù)領(lǐng)域存在的缺陷進(jìn)行分析 彎管技術(shù)也一 樣 衡量彎管技術(shù)好壞的依據(jù)就是其產(chǎn)品質(zhì)量的高低 彎管質(zhì)量 彎管質(zhì)量 就是管材彎曲成型后與預(yù)期彎管的質(zhì)量 而彎管的質(zhì)量是衡量彎管模具性能的 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 關(guān)鍵 換句話說要想提高彎管質(zhì)量就必須從模具的性能著手進(jìn)行分析 通常情 況下 管子彎曲后都會產(chǎn)生不理想的變形1 2 2 1 如圖1 7 所示 m o 七 ml 蒼 g 圖1 7 彎管形狀圖 f i g i 7s h a p eo f t h eb e n d i n gt u b e m m 側(cè)稱為管子外側(cè) 在管子彎曲時受拉力而減薄 n n 側(cè)稱為管子內(nèi) 側(cè) 在管子彎曲時受壓力而增厚 r 為管子彎曲半徑設(shè)計(jì)尺寸 咖為管子名義 外徑 從截面圖上可以看到 管子截面由圓形變?yōu)闄E圓形 橢圓截面的壁厚 也不均勻 a 為橢圓截面長軸 b 為橢圓截面短軸 s 為管子名義壁厚 s m i n 為截面最小壁厚 s m a x 為截面最大壁厚 橢圓度a a b 口 外壁減薄率 h s s m i n s 內(nèi)壁增厚率c s m a x s s 卸載后由管壁內(nèi)側(cè)和外側(cè)纖維彈性 恢復(fù)而引起的彎曲角度變化稱為回彈角團(tuán)l 彎管質(zhì)量主要包括橢圓度 外壁減薄率 內(nèi)壁增厚率 回彈角等幾個方 面 這些方面又與相對彎曲半徑 相對壁厚 材質(zhì) 彎管方法關(guān)系密切 隨著 鍋爐單機(jī)容量的增大 鍋爐中所需彎管的強(qiáng)度相應(yīng)提高 管子尺寸規(guī)格也逐步 加大 這就產(chǎn)生了新問題 彎管的質(zhì)量能否達(dá)到這種更高的要求 原有設(shè)備驅(qū) 動能力對大規(guī)格管子是否足夠 只有實(shí)現(xiàn)了彎管質(zhì)量的準(zhǔn)確預(yù)測和彎管過程力 的精確計(jì)算 才能合理地安排工藝 設(shè)備 才能保證彎管質(zhì)量和設(shè)備正常使 用 為安全生產(chǎn) 優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)打下基礎(chǔ) 通過制造信息化提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益 本文研究目的就是通過對彎管成形質(zhì)量的分析 和對一些彎管參數(shù)的提前 預(yù)測 對彎曲后管材質(zhì)量進(jìn)行提前評估 以盡量避免不必要的浪費(fèi) 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 1 4 4 主要研究內(nèi)容 針對企業(yè)生產(chǎn)中預(yù)測彎管質(zhì)量和驅(qū)動力的需求 本文利用計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì) 算優(yōu)勢 結(jié)合理論分析對彎管過程進(jìn)行模擬 主要從以下幾個方面開展工作 1 建立冷彎管力學(xué)理論模型 彎管制造過程是一個非線性 大塑性變形 的過程 難以用一般的經(jīng)典理論公式解析求解 并且不能簡化成通常的平面應(yīng) 變 平面應(yīng)力和軸對稱問題 因此 建立三維模型來描述 2 建立管件彎曲的數(shù)值分析系統(tǒng) 研究冷彎管三維有限元模擬關(guān)鍵技 術(shù) 隨著模型的復(fù)雜 數(shù)據(jù)量的增大 手動建模在速度及精確性上均不能滿足 要求 使用有限元分析軟件m s c m a r c 來模擬拉拔管成形過程 3 通過m s c m a r c 后處理系統(tǒng)分別對大型彎管和小型彎管成形質(zhì)量的主 要因素進(jìn)行分析并通過試驗(yàn)驗(yàn)證該模擬系統(tǒng)的可行性 4 針對分析結(jié)果對大型彎管機(jī)的滑槽進(jìn)行可行性改進(jìn)及小型彎管模的組 合式設(shè)計(jì) 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 2 1 前言 第2 章彎管有限元建模 冷彎管工藝過程涉及到塑性大變形 大位移 接觸非線性等問題 變形非 常復(fù)雜 難以用一般的經(jīng)典理論公式解析求解 并且不能簡化成通常的平面應(yīng) 變 平面應(yīng)力和軸對稱問題 因此 需要采用三維模型來描述 借助于有限元 分析方法和有限元軟件 利用其中大位移和接觸分析方法解決上述求驅(qū)動力和 預(yù)測彎管質(zhì)量的問題 2 1 1c a e 技術(shù) c a e c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g 即計(jì)算機(jī)輔助工程 其重要的內(nèi)容 就是利用計(jì)算機(jī) 對復(fù)雜工程和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 剛度 屈曲穩(wěn)定性動力響 應(yīng) 三維多體接觸 彈塑性等力學(xué)性能進(jìn)行輔助分析計(jì)算 以及對結(jié)構(gòu)性能進(jìn) 行優(yōu)化設(shè)計(jì) 其基本方法是將一個形狀復(fù)雜的連續(xù)體分解為有限個形狀簡單的 子區(qū)域 即將一個連續(xù)體簡化為有限個單元組成的等效組合體 把求解連續(xù)體 的場變量 應(yīng)力 位移 壓力和溫度等 問題簡化為求解有限個單元節(jié)點(diǎn)上的 場變量值問題 此時求解的基本方程將是一個代數(shù)方程組 而不是原來描述真 實(shí)連續(xù)體變量的微分方程組 得到近似的數(shù)值解 求解的近似程度取決于所采 用的單元類型 單元的密度以及單元的插值函數(shù) 經(jīng)歷了3 0 多年的發(fā)展歷史 c a e 技術(shù)的理論和算法都日趨成熟 現(xiàn)已成 為航空航天 機(jī)械 土木結(jié)構(gòu)等工程領(lǐng)域必不可缺少的數(shù)值計(jì)算工具 先期出 現(xiàn)的c a d 技術(shù)著重解決的是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量問題 c a m 著重解決的是產(chǎn)品的 加工質(zhì)量問題 而c a e 著重解決的是產(chǎn)品的性能質(zhì)量問題 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù) 的普及和不斷提高 c a e 系統(tǒng)的功能和計(jì)算精度都有了很大提高 各種基于產(chǎn) 品數(shù)字建模的c a e 系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生 并已成為結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要工 具 最優(yōu)化技術(shù)引入c a e 使人們從繁重的湊試工作中解脫出來 極大的提高 了企業(yè)的設(shè)計(jì)效率 減輕了技術(shù)人員的勞動強(qiáng)度 縮短了設(shè)計(jì)周期 受到廣泛 的歡迎 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 2 1 2m s c m a r c 軟件簡介 m s c m a r c 是功能齊全的高級非線性有限元軟件 具有極強(qiáng)的結(jié)構(gòu)分析 能力 在我國的航空 航天 核工業(yè) 鐵路運(yùn)輸業(yè) 機(jī)械制造 汽車 電子 土木工程 生物醫(yī)學(xué) 水利等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用 為各領(lǐng)域中產(chǎn)品設(shè)計(jì) 科 學(xué)研究做出了很大貢獻(xiàn) 該軟件的功能在不斷地改進(jìn) 應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地?cái)U(kuò) 展 但是由于實(shí)際問題的多樣性 以及不同用戶要求的特殊性 利用軟件缺省 的標(biāo)準(zhǔn)輸入 輸出有時并非是最佳選擇 另外 也存在標(biāo)準(zhǔn)程序尚不具備特定 用戶需要某一方面功能的情況 對于前一種情況 可通過m s c m a r c 提供的 大量用戶子程序接口 將用戶需要的輸入 輸出以最簡便的方式定義 而無需 受缺省輸入 輸出的限制 對于后者 在功能強(qiáng)大的通用軟件框架下可以耦合 用戶所需功能 使通用軟件向特定領(lǐng)域的專用軟件擴(kuò)展 m s c m a r c 有兩種二次開發(fā)方式 用戶子程序和m s c m a r c 自帶的腳 本語言p y t h o n 編程 m s c m a r c 提供了許多對用戶開放的子程序 即用戶子 程序 用戶可以根據(jù)自身需要通過f o r t r a n 語言編制用戶子程序 實(shí)現(xiàn)對輸 入數(shù)據(jù)的修改 材料本構(gòu)關(guān)系的定義 載荷條件 邊界條件 約束條件的變 更 甚至擴(kuò)展m s c m a r c 的功能 m s c m a r c 自帶的腳本語言p y t h o n 在前 處理中能實(shí)現(xiàn)幾何模型 有限元網(wǎng)格劃分 約束邊界條件 載荷及材料性能等 的參數(shù)化等 在后處理中能實(shí)現(xiàn)從結(jié)果數(shù)據(jù)中提取用戶所關(guān)心的信息 m s c m a r c 軟件從2 0 世紀(jì)7 0 年代初誕生至今的3 0 年中 一直緊跟有限 元方法的理論和計(jì)算機(jī)硬 軟件發(fā)展的最新進(jìn)展 已發(fā)展成為功能強(qiáng)大 界面 友好的有限元軟件系統(tǒng) 它擁有豐富和完善的單元庫 材料模型庫和求解器 保證了它能夠高效的求解各類結(jié)構(gòu)的靜力和動力中的線形 高度非線形問題 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析及熱 結(jié)構(gòu)耦合問題 m a r c 被m s c 收購后 保留了它的主要產(chǎn)品 m s c m a r c 是高級非線 形有限元分析模塊 m s c m e n t a t 是m s c a r c 的前后處理圖形對話界面 兩 者嚴(yán)密整合的的m s c a r c 和m s c m e n t a t 成為解決復(fù)雜工程問題 完成學(xué)術(shù) 研究的高級通用有限元軟件 本文以m s c m a r c 軟件為平臺 借助其自帶的 腳本語言p y t h o n 通過對鍋爐彎管過程進(jìn)行實(shí)例分析 仿真管件彎曲過程中各 參數(shù)變化以指導(dǎo)管件彎曲過程中相關(guān)工藝參數(shù)的制定 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 2 1 3 有限元單元法的基本步驟 彎管分析的有限元法步驟包括以下6 步 2 4 1 1 定義形函數(shù)n x 進(jìn)而通過單元節(jié)點(diǎn)變量a 描述單元域內(nèi)連續(xù)的變量 u x x n x a c r 2 1 2 定義單元材料的響應(yīng)如應(yīng)力 應(yīng)變和熱流等 占 啦例 b a 2 2 盯 嘶 洲 2 3 3 形成單元矩陣建立單元與外界環(huán)境的平衡關(guān)系 k a f 0 2 4 其中k 為單元剛度矩陣 尸為單元節(jié)點(diǎn)上的等效外力 a 為單元節(jié)位 移 剛度矩陣按下式計(jì)算 1 k ibd b d v 2 5 j 球 節(jié)點(diǎn)等效外力為 j x 2 b d v j 分t d s f 2 6 娃 單元剛度矩陣代表了結(jié)構(gòu)單元的剛性或傳熱單元的傳導(dǎo)性 節(jié)點(diǎn)外載荷代 表了單元內(nèi)體力 或內(nèi)熱源 面力 或熱流 節(jié)點(diǎn)集中力的貢獻(xiàn) 4 集成將覆蓋結(jié)構(gòu)全域的所有單元的剛度矩陣和節(jié)點(diǎn)外力對平衡的貢獻(xiàn) 集成 建立整體結(jié)構(gòu)的平衡方程 k y k t 2 7 廠 廠 2 8 k a f 0 2 9 5 求解平衡方程指定一些節(jié)點(diǎn)位移后 可將平衡方程按已知節(jié)點(diǎn)位移和 未知的場變量分解為兩部分 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 乏就h 糾 吼 一 0 f o k 0 q 2 1 0 2 1 1 z 一 如q k q 2 1 2 其中吼為未知節(jié)點(diǎn)變量 q 為已知節(jié)點(diǎn)變量 z 為外加的節(jié)點(diǎn)力 z 為 節(jié)點(diǎn)反作用力 因此 求解變成獲得已知位移的節(jié)點(diǎn)反作用力和已知的載荷節(jié) 點(diǎn)位移 6 回代根據(jù)計(jì)算出的節(jié)點(diǎn)變量 代入第2 步的表達(dá)式中 獲得單元應(yīng) 變 應(yīng)力或熱流情況 2 2 彎管有限元力學(xué)模型建立 2 2 1 冷彎管基本力學(xué)模型的建立 管材的彎曲過程可以用如圖2 1 所示的力學(xué)模型來描述 2 5 1 圖2 1 管材彎曲的力學(xué)模型 f i g 2 1 m e c h a n i c sm o d e lo f t h et u b e b e n d i n g 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 管材的引導(dǎo)端被彎管模和夾塊約束 同時有一個力矩m 作用于管材尾 部 使得管材逐漸彎向彎管模直至接觸 在管材的自由變形部分 彎曲力矩m 和集中力緲 z 作用在一端 力矩m 和集中力 胞 作用在另一端 分布 力g 作用在管材的內(nèi)側(cè)面1 2 6 2 2 2 坐標(biāo)系和基本假設(shè) 上面已經(jīng)說過 管材彎曲過程是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程 所以在進(jìn)行分析之 前需要進(jìn)行一些令模型簡化的假設(shè) 這些假設(shè)的界定是為了得到更清晰的分 析 假定管材已經(jīng)彎制了1 8 0 0 取9 0 0 處建立坐標(biāo)系如圖2 2 所示 管材的橫 截面是建立在以地 y o 為坐標(biāo)軸的右手笛卡兒坐標(biāo)系上 其中j 是沿著未變 形管材中面所測的環(huán)向弧長 而中面是位于變形前壁厚中點(diǎn)的柱面 軸的原 點(diǎn)位于未變形中面上 方向垂直于中面 橫截面也可以用原點(diǎn)在0 點(diǎn)的極坐標(biāo) 以d 來描述 管中性軸通過刪 如 坐標(biāo)系的原點(diǎn)0 彎曲模的軸通過點(diǎn)0 并 垂直于x z 平面 未變形管材橫截面的中心點(diǎn)0 和變形后中面上點(diǎn)的距離用 代表 矽是指由于截面變化而引起的通過0 點(diǎn)的切線和x 軸之間的角度增量 當(dāng)沒有發(fā)生截面變形時這個角度為零 角度 是從彎曲區(qū)域的中心所測的彎曲 角度 為了簡化分析 做出如下假設(shè) 2 7 2 8 1 垂直于管材軸線的平面在變形后仍保持平面 2 管材的材料是不可壓縮的 分析中忽略了彈性應(yīng)變 等效應(yīng)力和等 效應(yīng)變之間的關(guān)系符合剛塑性線性應(yīng)變強(qiáng)化材料模型 3 變形關(guān)于x z 平面對稱 4 加載過程采用簡單加載理論 5 忽略工具和管材之間的摩擦力 基于以上假設(shè) 當(dāng)采用最小勢能原理分析時彎管力學(xué)模型可以進(jìn)一步得以 簡化 2 9 1 因?yàn)槟>呤潜蛔鳛閯傂泽w 在沿著分布接觸力g 作用的方向上沒有位 移 因此g 所作的功為零 軸向力 所作外功矽為零 因此垂直于管材軸向 的平面 如x y 平面 位移為零 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 彎管模的中心線 l 廠 變憑 內(nèi)弧面 f 弋n l f 川繃 li l 心訟 歹弋 o l l j 2 圖2 2 彎管力學(xué)模型的坐標(biāo)系圖 f i g 2 2r e f e r e n c ef r a m e o f t h et u b e b e n d i n ga n a l y s i s 2 3 彎件彎制過程模擬建模 2 3 1 前處理建模 采用有限元分析軟件m s c m a r c 模擬拉拔管成形過程的優(yōu)點(diǎn)是 1 不需建 造物理模型 成本低 2 具有較強(qiáng)的非線性分析能力 3 能對變形過程中的物理 特性真實(shí)包容 鍆有較大的靈活性 能用于模擬實(shí)現(xiàn)無法提供的虛擬條件下的 模型性態(tài) 從而為探索性的研究提供了手段 3 0 l 但是 隨著模型的復(fù)雜 數(shù)據(jù) 量的增大 手動建模在速度及精確性上均不能滿足要求 針對目前有限元分析 軟件手動建模存在的問題 本文提出p r o e 與m s c m a r c 聯(lián)合參數(shù)化建 模 整合兩大軟件的長處 將有限元分析前處理的部分?jǐn)?shù)據(jù)如幾何模型 有限 元網(wǎng)格劃分等參數(shù)化 使用戶通過確定參數(shù)值實(shí)現(xiàn)自動建模 從而減少重復(fù)性 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 工作 較大幅度提高效率 以大型彎管機(jī)為研究模型 選取模擬管件的參數(shù)為直徑d 1 6 8 m m 壁厚 3 0 m m 彎曲半徑r 4 0 0 m m 材料選用2 0 g 與其它m s c 軟件一樣 m s c m a r c 有限元軟件具有強(qiáng)大完善的接口功 能 它自帶的m e n t a t 建模功能并不強(qiáng)大 但m s c m a r c 軟件具備和許多著 名c a d 和c a e 軟件交換幾何造型和有限元模型的數(shù)據(jù)文件接口 包括 a u t o c a d p r o e u g 等多種接口功能 本系統(tǒng)采用p r o e 幾何建模導(dǎo)入和 m s c m a r c 自帶建模結(jié)合的方法 如圖2 3 所示 圖2 3 彎管的前處理建模 f i g 2 3p r o d i s p o s a lm o d e l i n g0 f t l l em b e b e n d m 將i g e s 格式模具導(dǎo)入m s c m 6 眥并進(jìn)行對稱修補(bǔ)及網(wǎng)格劃分 其命令 流如下 m a i n 也s hg e l 屺r a t i o n f i l e s n 伊o r t i g e s d i e i g s r e l i 瓜n t w i c o s 阮e p p o i n t s a l l e x i s z 1 6 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 r e i u r n a u t o m 匣s h c u r v ed i s i o n s f i x e da v gl e n g l h 向彬 a v g l e n g t h6 r e s l l u c t i o nf o i 屺ee v e nd i v a p p l yr e s l r i u c t i o nt od e t e c t e dl o o p s a p p l yc u r v ed i s i o n s a l l e x i s t r e t u r n 因?yàn)閙 s c m a r c 軟件中只能對曲面和點(diǎn)線進(jìn)行網(wǎng)格劃分 所以經(jīng)過i g e s 格式導(dǎo)入的實(shí)體要先經(jīng)過以上步驟轉(zhuǎn)化為曲面 由于所計(jì)算的面過多導(dǎo)致計(jì)算 量大 因此本文對導(dǎo)入模型進(jìn)行進(jìn)一步簡化 用m a t e n t 自帶的s u b t r a c t 和u 礬t 功能對導(dǎo)入實(shí)體進(jìn)行修改 在不影響分析結(jié)果的同時減少數(shù)據(jù)的計(jì)算 量 2 3 2 有限元網(wǎng)格的生成 m e s hg e n e r a t i o n 劃分網(wǎng)格是建立有限元模型的一個重要環(huán)節(jié) 劃分網(wǎng)格的數(shù)量和質(zhì)量直接 影響計(jì)算精度 計(jì)算規(guī)模和分析效率 網(wǎng)格劃分越細(xì)越多則分析精度越高 但 是計(jì)算規(guī)模和所需要的計(jì)算時間也會增加 所以在劃分網(wǎng)格時應(yīng)該綜合考慮這 兩個因素 1 管材鋼管的幾何形狀較為規(guī)則 為了簡化程序 在m s c m a r c 軟件 的前處理中直接可生成單元元素所代表的管材 生成時 先生成二維單元 然 后用e x p a n d 命令擴(kuò)展為三維實(shí)體單元 由于鋼管的拉拔彎曲的過程中要形成 復(fù)雜物理學(xué)及化學(xué)變化 金屬流動情況比較復(fù)雜 變形量很大 數(shù)據(jù)變化梯度 大 為了適應(yīng)計(jì)算數(shù)據(jù)的分布特點(diǎn) 因而需要將靠近內(nèi)表面的單元劃分細(xì)一 些 靠近外表面的管材部分在拉拔過程中變形量較小 計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度小 可以將單元劃分的粗一些 所以在劃分管料的平面單元時 在徑向?qū)⑵毕禂?shù) b i a s f a c t o r s 設(shè)置為 0 3 使得管料平面劃分單元時 靠近管料內(nèi)壁的單元 細(xì)而從內(nèi)徑沿著半徑方向向外單元逐漸變稀疏 由于在成形過程中管料內(nèi)壁要 形成變形褶皺 所以管料內(nèi)壁的單元尺寸必需小于外表面 最終管料劃分單元 的情況如圖2 4 所示 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 4 管子的網(wǎng)格劃分 f i g 2 4g r i d d i n gp l o to ft h et u b e 2 模具模具采用的是i g e s 實(shí)體導(dǎo)入 為了簡化模型 在m s c m a r c 中對導(dǎo)入模型進(jìn)行了修改 減去多余的表面 體的網(wǎng)格劃分是先對待劃分實(shí)體 進(jìn)行表面網(wǎng)格劃分 然后進(jìn)行在進(jìn)行網(wǎng)格劃分之前 必須進(jìn)行幾何清理和修 復(fù) 清理掉多余的自由邊 消除所有的二維開環(huán) 檢查所有的曲線和曲面 這 里需要特別注意的是 劃分面網(wǎng)格成功以后 劃分體網(wǎng)格之前必須保證沒有多 余的節(jié)點(diǎn)和幾何點(diǎn) 清理掉多余的自由邊 所有單元的外法線方向一致 所有 單元的外輪廓線總長之和為零等 由于分析表面過多如果用六面體網(wǎng)格劃分會 存在很大誤差 不能很好的逼近原幾何實(shí)體 因此對芯棒劃分選取四面體單 元 劃分網(wǎng)格之后必須清除掉多余的有限元元素和重合的幾何實(shí)體 檢查單元 的節(jié)點(diǎn)編號 單元形狀是否奇異 檢查三維單元j a c o b i a n 是否為負(fù) 并加以糾 正 最終劃分的模具單元結(jié)果如圖2 5 所示 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 5 模具的網(wǎng)格劃分 f i g 2 5g r i d d i n gp l o to ft h em o u l d 對與管件接觸部分進(jìn)行細(xì)劃分 命令流如下 m a i n m e s hg e n e r a t i o n a u t o m f e s h s u r f a c em 匣s h i n g t r i a n g l e s d e l a u n a y s u r f a c et 剛m e s h a l l e x i s t 和rn l ts u r f a c e s p l o t d r a w n o

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