板式翅片滚压成形过程数值模拟与参数控制规律的研究

论文摘要

板式翅片作为强化传热的核心元件已广泛应用于各领域,其加工质量和结构的优劣直接影响着强化传热的性能,因此,研究和探索翅片加工的新工艺则具有很重要的意义。本文针对目前板式翅片加工过程中存在的工艺复杂、制造成本高以及制件使用性能差等缺点,提出了一种板式翅片的绿色加工工艺一滚压成形加工。论文分析了板式翅片滚压成形过程中塑性变形的特点,建立了滚压成形过程中滚压成形刀具受力的数学一力学模型,推导出了滚压成形刀具上的受力预测计算公式;根据金属塑性变形的原理,设计了滚压成形刀具,基于体积不变原理和最小阻力原理,建立了翅成形的理论计算模型,获得了翅片高度的理论计算公式,为板式翅片滚压成形工艺的进一步研究提供理论依据。基于滚压成形中滚压成形刀具和工件间相对运动关系,建立了板式翅片滚压成形的有限元分析模型,采用Deform-3D有限元分析软件实现了板式翅片滚压成形过程的数值模拟;分析了A型翅片和矩型翅片滚压成形过程中工件上的等效应力、等效应变分布状态及流动速度场,采用点追踪方式研究了工件材料在滚压过程中的变形情况,给出了工件上各追踪点的应变幅度曲线,揭示了板式翅片滚压成形过程中金属塑性流动的规律。针对翅片滚压成形中滚压成形刀具的结构问题,研究了滚压成形刀具在滚压成形过程中不同时刻的等效应力分布情况,分析了A型翅片和矩型翅片成形过程中刀具上的载荷变化,为滚压成形刀具结构的优化设计提供有效参考。采用正交试验方法,获得了压下量、滚压速度、摩擦因子和刀尖角等工艺参数对板式翅片滚压成形的影响规律;利用多元非线性回归的方法获得了翅片高度和板料被拉长的长度经验方程,经过F检验,其回归效果显著,可用于指导板式翅片滚压成形的生产实践。根据板式翅片滚压成形的特点,设计了实验方案,通过实际滚压成形加工实验,获得了与仿真结果相吻合的翅片结构,表明了数值模拟的真实性和有效预测性,同时,也证明了板式翅片滚压成形工艺是可用于生产实践的可行性工艺;在数值模拟和滚压实验的基础上,设计了板式翅片滚压成形设备,为成形设备的生产制造和板式翅片滚压成形工艺的推广和应用奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源及研究意义
• 1.2 本课题的研究背景
• 1.2.1 板翅式换热器的特点及其发展状况
• 1.2.2 翅片成形工艺的发展现状
• 1.2.3 滚压加工的研究现状
• 1.2.4 有限元模拟技术在塑性成形过程中的应用
• 1.3 课题的研究内容
• 2 板式翅片塑性滚压成形方法的理论研究
• 2.1 金属塑性变形理论
• 2.1.1 金属塑性变形的实质
• 2.1.2 金属的塑性及其影响因素
• 2.1.3 变形抗力及其影响因素
• 2.1.4 屈服准则
• 2.2 板式翅片滚压塑性变形特点
• 2.3 滚压成形过程的建立条件
• 2.3.1 咬入条件
• 2.3.2 稳定滚压条件
• 2.3.3 变形区内滚压运动的速度
• 2.4 翅片滚压成形的影响因素分析
• 2.4.1 影响翅片长高程度的因素
• 2.4.2 影响翅片滚压变形程度的因素
• 2.4.3 影响翅片上滚压力的因素
• 2.5 滚压成形刀具受力预测公式的建立
• 2.6 本章小结
• 3 板式翅片滚压成形过程的数值模拟
• 3.1 金属塑性成形理论分析
• 3.1.1 金属塑性成形的数学—力学分析方法
• 3.1.2 有限元法及其特点
• 3.2 金属塑性变形有限元理论
• 3.2.1 刚塑性有限元法基本理论
• 3.2.2 滚压成形原理
• 3.3 板式翅片滚压成形过程的分析模型
• 3.3.1 板式翅片滚压成形过程仿真模型
• 3.3.2 滚压成形刀具的设计
• 3.3.3 滚压成形过程中的翅片成形分析
• 3.4 翅片滚压成形机理
• 3.5 翅片滚压成形仿真建模
• 3.5.1 几何模型的建立
• 3.5.2 材料力学模型的建立
• 3.5.3 滚压成形仿真过程的建立
• 3.5.4 仿真中相关问题的处理
• 3.6 本章小结
• 4 滚压成形过程中金属流动规律的研究
• 4.1 翅片成形过程
• 4.2 翅片成形过程中金属变形的速度场分析
• 4.3 翅片成形过程中金属变形的应变场分析
• 4.3.1 翅片截面的金属流动趋势
• 4.3.2 翅片侧壁的金属流动趋势
• 4.3.3 翅根部的金属流动趋势
• 4.3.4 翅顶部的金属流动趋势
• 4.4 本章小结
• 5 翅片滚压成形仿真模拟结果分析
• 5.1 翅片滚压成形的仿真结果
• 5.2 翅片滚压成形过程中的等效应力分析
• 5.3 翅片滚压成形过程中的等效应变分析
• 5.4 刀具力学分析
• 5.5 本章小结
• 6 翅片滚压成形过程工艺参数优化
• 6.1 正交试验优化设计方法
• 6.2 因子水平表及正交试验表
• 6.3 正交试验结果分析
• 6.3.1 侧向挤压力
• 6.3.2 垂直滚压力
• 6.3.3 水平切向力
• 6.3.4 翅片长高率
• 6.3.5 板料拉长率
• 6.4 板式翅片滚压成形过程中参数关系分析
• 6.5 翅片滚压成形控制参数的多元回归分析
• 6.5.1 多元回归分析模型的建立与求解
• 6.5.2 回归效果分析
• 6.6 本章小结
• 7 翅片滚压成形实验和成形设备的研究
• 7.1 翅片滚压成形实验
• 7.1.1 管式翅片滚压成形实验
• 7.1.2 板式翅片滚压成形实验
• 7.2 滚压成形设备的设计思想及工作原理
• 7.2.1 滚压成形设备的设计思想和原则
• 7.2.2 滚压成形设备的工作原理
• 7.3 板式翅片滚压成形设备的设计
• 7.3.1 滚压成形装置
• 7.3.2 刀具调整装置
• 7.3.3 传动系统
• 7.3.4 冷却与润滑系统
• 7.3.5 辅助装置
• 7.4 本章小结
• 8 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 发展与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文及研究成果