巨型精密模锻水压机力流传递与监控研究

论文摘要

三万吨模锻水压机和一万吨多向模锻水压机是我国国防和基础产业的关键设备,为我国的军工及民用产品生产发挥了巨大的作用。3万吨和一万吨水压机均为上世纪70年代初建造,其能力和制造精度均难以满足现代国防工业、能源工业等迅速发展对高精度超大规格锻件的需求。因此,国防科工委、国家计委和原中国有色金属工业总公司等下有关部门分别下达专项,决定对其进行现代化功能升级与高技术改造。极端巨大的机械结构的载荷传递与三维空间变形控制是巨型精密模锻水压机设计的核心问题,是水压机精确操作与运行控制的基础。本文以三万吨模锻水压机为研究对象,结合巨型框架结构、垫板结构与螺纹连接组件的力学分析和结构特点,系统建立了具有多维多元超静定、强应力下的非线性接触特征的结构强度与刚度分析的多体弹性接触混合有限元方法:运用现代强度理论、检测技术与计算机技术,研究查明了模锻水压机本体主结构的载荷真实传递和变形规律及各种工况条件下各核心构件的强度储备水平及动态峰值部位,揭示了水压机运行过程中的奇异力学行为规律,如:超静定结构导致的载荷演变特点、附加载荷的产生机制与原因、多体接触/运动副间隙/连接安装方式等因素对局部应力畸变的影响;在上述理论研究的基础上,研制开发了水压机工况监测系统与保护系统,为实现三万吨模锻水压机的技术改造和功能升级提供了理论依据与技术实现的途径。本文的主要研究工作如下:1、大型结构的三维弹性接触问题有限元分析方法:结合巨型框架结构、垫板结构与螺纹连接组件的结构与力学特点,系统建立了具有多维多元超静定、强应力下的非线性接触特征的结构强度与刚度分析的多体非线性接触问题的计算方法和计算软件,解决了多层垫板组结、螺纹连接组件的强度与变形分析计算问题,为巨型结构的设计分析提供了新的方法与手段。2、水压机垫板组的强度和刚度行为研究:根据三万吨水压机垫板组的特点,建立了其三维非线性弹性接触分析有限元模型,提出了一种有限元混合求解算法,获得了垫板组各接触层接触应力的分布和参数影响规律,查明了载荷分布与锻件形状及支承组件结构方式的关联机制。3、立柱及其螺纹组合件的强度与变形分析:为解决重载螺纹连接的计算问题,提出了一种分析弹塑性接触问题的双重非线性有限元方法,建立了水压机立柱与螺纹组合件的接触力学模型,查明了水压机立柱在各种承载状态下的应力分布规律、立柱螺纹组件连接强度的储备水平与增压可能性。4、机架刚度的有限元分析与评估:建立了水压机主体框架(上梁—立柱—固定横梁—下横梁)有限元分析计算模型。系统查明了3万吨水压机主体框架结构在各种可能工况下的真实应力状态、动态应力峰值与分布,分别分析了中载、纵偏、横偏、斜偏等状态下水压机整体的应力状态与空间三维变形规律,为巨型水压机本体结构设计和增压改造强度分析提供了基础依据,并为水压机运行精度提升指出了技术途径。5、主工作缸力学行为分析与强度评估:通过多种模型仿真,并结合有限元计算,克服了实际测压时测点布置的局限性所带来的影响,全面获取了不同结构主工作缸的应力应变状态,并对缸底过渡区的过渡形线等结构参数进行了优化设计,为准确可靠地分析主工作缸的强度、寿命预测及其新缸体的设计提供依据。6、立柱应力在线检测及保护系统研制:基于水压机立柱的应力与变形分析,研制了三万吨水压机的集成式工况监测和非接触式立柱应力保护检测及保护系统,完全满足实际生产过程对检测系统的高精度与实时性要求,采用动态零点采集技术,消除了环境温度变化、零点漂移等因素对应力检测精度的影响,填补了在大型模锻水压机上实现立柱应力高精度检测的空白。基于以上各方面的系统研究结果,本文提出了三万吨水压机功能升级的可行技术途径:在不改变主体结构和不更换主要承力构件的条件下,通过对水压机运动和载荷的有效控制,实现运动的高度同步和偏载抑制,减少附加载荷的产生,同时通过锻造工艺的优化和模具结构的合理设计,减少变形抗力和提高其均匀性,从而使水压机原隐式的过载潜力转化为主锻造过程的实际承载能力提高。该技术途径已经成功实施,实现了我国三万吨水压机的现代化改造与功能升级。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 概述
• 1.1 国内外大型模锻水压机发展状况
• 1.2 300MN模锻水压机结构简介及其载荷传递方式和结构要求
• 1.2.1 结构简介
• 1.2.2 载荷传递方式和结构要求
• 1.3 垫板组和模具组强度、刚度以及接触应力计算常用方法
• 1.3.1 弹性锥平衡解法
• 1.3.2 数值计算法
• 1.3.3 模具组的强度计算
• 1.4 研究课题的提出与论文主要研究内容
• 第二章 大型结构的三维弹性接触问题有限元混合分析法
• 2.1 概述
• 2.2 三维弹性接触问题的基本理论
• 2.2.1 基本假设
• 2.2.2 接触面的定解条件和判定条件
• 2.3 三维二体弹性接触问题的有限元混合法的基本理论
• 2.3.1 关于接触点相对间距方程
• 2.3.2 三维坐标变换
• 2.3.3 间距方程的增量形式
• 2.3.4 连续方程
• 2.3.5 连续方程的修改
• 2.3.6 刚性位移及整体平衡条件
• 2.4 三维多体相互接触问题的有限元混合法分析的方法
• 2.5 程序设计
• 2.6 结论
• 第三章 垫板组件结构与计算模型建立及其力学行为
• 3.1 垫板组和固定横梁结构简介及结构模型
• 3.1.1 垫板组结构
• 3.1.2 固定横梁结构
• 3.1.3 结构模型
• 3.2 力学分析与计算模型建立及校正
• 3.2.1 边界条件的分析和处理
• 3.2.2 载荷模型
• 3.3 结构分析的有限元网格离散
• 3.4 计算与分析
• 3.4.1 计算工况确定
• 3.4.2 计算结果及其分析
• 3.5 结构的进一步分析与优化
• 3.6 结论
• 第四章 巨型立柱及其螺纹件组合结构力传递特性与强度分析
• 4.1 立柱主体的基本结构分析
• 4.1.1 概述
• 4.1.2 基于通用有限元分析软件计算结果的分析处理
• 4.1.3 计算结果与实测结果的比较
• 4.1.4 静强度分析
• 4.1.5 疲劳强度分析
• 4.2 立柱螺纹组合件结构的力学分析计算
• 4.2.1 软件开发
• 4.2.2 力学模型的建立
• 4.2.3 上螺纹有限元计算结果与分析
• 4.2.4 下螺纹的有限元计算结果与分析
• 4.3 结论
• 第五章 300MN水压机主工作缸力学行为仿真与强度评估
• 5.1 前言
• 5.2 主缸有限元分析与结构优化
• 5.2.1 主缸的力学模型
• 5.2.2 主缸原型应力场的有限元分析
• 5.2.3 不同法兰过渡区和缸底圆弧过渡区过渡形线的有限元分析
• 5.2.4 最优过渡形线的确定
• 5.2.5 液压缸的弹性理论解
• 5.2.6 小结
• 5.3 主缸金属模型应力场的测试与分析
• 5.3.1 实验装置与测试系统
• 5.3.2 实测工况模拟实现
• 5.3.3 实测数据的处理方法
• 5.3.4 全接触情况下的实测应力分析
• 5.3.5 局部接触工况下的实测应力分析
• 5.3.6 小结
• 5.4 结论
• 第六章 300MN水压机整体机架的强度和刚度有限元分析
• 6.1 引言
• 6.2 整体机架的基本受力分析
• 6.2.1 机架
• 6.2.2 活动横梁
• 6.3 整体机架有限单元分析计算模型建立
• 6.3.1 刚架模型及其依据
• 6.3.2 坐标系的选定
• 6.3.3 约束条件的确定
• 6.3.4 结构联接边界的处理
• 6.3.5 单元选用及结构离散
• 6.3.6 机架予紧力的处理
• 6.3.7 摇杆对上横梁的作用力、力矩的分析处理
• 6.3.8 立柱上侧推力的分析处理
• 6.3.9 底底上水平作用力T的分析处理
• 6.3.10 载荷及其移置
• 6.3.11 水压机典型工作状况
• 6.3.12 计算内容及计算载荷工况
• 6.4 计算结果的分析处理方法
• 6.5 整体机架主构件强度与刚度的分析
• 6.5.1 上横梁强度与刚度度分析
• 6.5.2 下横梁强度与刚度度分析
• 6.5.3 活动横梁强度与刚度度分析
• 6.6 整体框架变形分析及小结
• 附录 纵向板的载荷及其移置
• 第七章 巨型模锻水压机立柱应力的检测与保护系统研制
• 7.1 引言
• 7.2 300MN模锻水压机水柱应力检测系统方案设计
• 7.2.1 基本思路
• 7.2.2 立柱应力检测系统方案设计
• 7.2.3 立柱应力检测系统方案设计比较
• 7.3 300MN模锻水压机立柱应力保护系统研制
• 7.3.1 300MN模锻水压机立柱保护系统方案设计
• 7.3.2 元器件选型
• 7.3.3 立柱受力分析和测点位置
• 7.3.4 传感器的安装
• 7.3.5 应力保护系统组成与300MN模锻水压机集成监控系统
• 7.3.6 传感器组安装位置与布置
• 7.3.7 16路应力检测系统的配置状态与接线图
• 7.3.8 系统调试及系统报警值的确定
• 7.4 立柱应力检测装置精度分析
• 7.4.1 概述
• 7.4.2 立柱应力检测装置的检测精度有限元分析
• 7.4.3 小结
• 7.5 结论
• 第八章 全文总结
• 参考文献
• 攻读学位期间主要的研究成果
• 致谢