球形凹模缩口工艺的理论研究及有限元模拟

论文摘要

利用模具缩口成形是使金属管件的开口端部缩小的一种成形工艺。其目的是便于大直径的管子与小直径的管子相连,这在锅炉生产、汽车、航空航天、设备生产等企业中广泛应用。实际加工过程中,由于缺乏理论指导,大多是凭经验估计缩口力和确定工艺过程,所以缩口的质量和经济效益都不尽如人意。通过到锅炉制造、食品加工和造纸厂等企业的实际调研和相关资料的查询,针对球形凹模缩口在工程实际中用得多,但理论十分薄弱的现实,本文选择锅炉集箱金属管——低中压锅炉用无缝钢管（GB3087-1999）球形凹模缩口为研究对象,以应力平衡微分方程和屈服方程联立建立数学模型,并与缩口工艺试验、材料力学性能试验和ANSYS有限元模拟分析相结合为研究手段进行分析研究。论文研究了球形凹模缩口工艺中的主要技术参数——缩口成形力,其中考虑了现有分析计算中被忽略的三个因素：凹模入口处附加弯矩对应力场的影响、形变硬化对应力场的影响、变形过程中管材厚度变化对应力场的影响。研究成果包括：1.找出了金属空心管件球面形状缩口经向应力和各工艺参数之间的关系,建立了新的球形凹模缩口成形力的理论计算公式：2.通过对钢管材料进行拉伸试验,确定了理论计算公式中的力学性能参数,特别是应变硬化模量。3.通过工艺试验并将工艺试验的结果与本文导出的缩口力的计算值比较,验证了公式在理论及实用上的科学性和合理性。4.建立了有限元模型,使缩口成型的过程可以用有限元进行模拟分析。对比缩口成形过程的模拟结果和试验结果,进一步从位移和应力的角度验证了导出公式的正确性。研究成果的意义在于：综合考虑了附加弯矩、形变硬化和管材厚度变化的新的球形凹模缩口成形力的计算公式完善了相关的理论,对球形凹模缩口工艺的制定和实际的缩口成形生产提供了理论依据,并使之从传统的定性分析上升到定量分析,结合有限元模拟分析,可以大大减少试模过程,提高缩口精度,降低生产成本,有较好的经济效益。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出及选题意义
• 1.2 凹模缩口工艺及国内外研究综述
• 1.2.1 凹模缩口成形简述
• 1.2.2 缩口工艺的国内外研究综述
• 1.3 缩口成形的研究方法
• 1.4 本论文的主要研究内容与创新点
• 1.4.1 本论文的主要研究内容
• 1.4.2 本论文的研究思路和方法
• 1.4.3 本论文的创新点
• 第二章 缩口成形力的研究
• 2.1 球形凹模缩口成形现行工艺调研
• 2.1.1 现状简介
• 2.1.2 缩口成形现行工艺中存在的问题
• 2.1.3 球形凹模缩口工艺的关键性问题
• 2.2 球形凹模缩口力计算公式的推导
• 2.2.1 球形凹模缩口的变形分析
• 2.2.2 主应力法简介
• 2.2.3 球形凹模缩口力公式的推导
• 2.2.4 考虑凹模入口处附加变形弯矩对应力场的影响
• 2.2.5 考虑形变硬化对应力场的影响
• 2.2.6 考虑变形过程中毛料厚度变化对应力场的影响
• 2.3 球形凹模缩口最优缩口尺寸的确定
• 第三章 缩口工艺计算及试验验证
• 3.1 缩口工艺计算
• 3.2 材料力学性能试验
• 3.3 缩口力计算及缩口试验验证
• 第四章 利用ANSYS有限元软件模拟球形凹模缩口成形过程
• 4.1 金属塑性成形模拟概述
• 4.2 ANSYS/LS-DYNA功能及分析流程
• 4.2.1 ANSYS/LS-DYNA简介及功能特点
• 4.2.2 ANSYS/LS-DYNA分析流程
• 4.3 本构关系的建立
• 4.4 几何模型及有限元模型的建立
• 4.4.1 几何模型
• 4.4.2 有限元模型
• 4.5 边界条件的处理
• 4.6 模拟结果分析
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A （攻读硕士学位期间发表的论文）