铁路货车转向架支撑座铸改锻工艺研究

论文题目: 铁路货车转向架支撑座铸改锻工艺研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料加工工程

作者: 王梦寒

导师: 周杰

关键词: 支撑座,工艺优化,结构优化,数值模拟,铸改锻

文献来源: 重庆大学

发表年度: 2005

论文摘要: 支撑座是铁路货车转向架上的关键及重要部件,其产品质量和性能对铁路货车提速、重载有着重要影响。支撑座产品目前在世界上广泛采用铸造工艺成形。近年来,随着铁路运输对重载、高速要求的提高,对关键部件支撑座的性能要求也在提高,铸钢支撑座产品存在的固有缺陷(铸钢件本身的机械性能、疲劳韧性、抗冲击性能都不高,铸件产品无法避免地存在气孔、缩松、夹杂、裂纹等)对铁路高速安全运行已构成威胁。提高支撑座产品的综合机械性能是中国铁道部为解决铁路运输所面临的重大改革和结构性调整,实施重载、提速、安全的发展技术,提高运输效益和效率的需要解决的重大课题。为确保铁路货车提速后运行的安全性和可靠性,论文创造性地提出了对支撑座进行铸改锻的工艺方案,以提高其综合机械性能。由于原铸钢支撑座产品形状复杂,精铸的支撑座产品存在高筋、薄壁的结构,给支撑座铸改锻带来加大困难。为了缩短锻钢支撑座新产品的开发周期,降低新产品开发成本,论文采用数值仿真技术对支撑座进行产品结构改进和成形工艺优化。本文的主要研究内容和结构如下: 在对结构有限元分析中的关键技术问题进行深入研究的基础上,利用通用有限元分析软件ANSYS,首次对铁路车用转8AG 支撑座进行了结构力学分析,分别得出了铸钢(材料为ZG25Mn Ni)支撑座零件和锻钢(材料为Q235D)支撑座零件在工作负荷作用下的应力、应变分布,通过有限元软件ANSYS 分析计算,优化了锻钢支撑座的结构及形状尺寸,对转8AG 锻钢支撑座零件结构进行了改进,有效地提高该零件的安全系数,为工艺设计提供了技术依据,并以此指导其它同类锻钢支撑座零件的结构改进。在对转8AG 支撑座锻造过程三维刚塑性/刚粘塑性有限元模拟分析中关键技术问题进行深入研究的基础上,利用塑性成形模拟软件DEFORM-3D,首次对转8AG 支撑座锻造过程进行了模拟,分析了坯料在成形过程中的金属流动规律及力学量场分布情况,对数值模拟中的一些关键技术问题进行处理。通过对支撑座锻造成形过程的不同工艺方案进行数值模拟,优化了支撑座的锻造成形工艺方案。首次采用并实现了一模两件,左、右支撑座合二为一的锻造新工艺及新方法。以转8AG 支撑座为研究对象,采用改进后的支撑座结构和优化的锻造工艺方案对锻钢支撑座进行了生产试制,试制结果表明:采用一模二件锻造工艺成形支撑座,工艺可行、支撑座锻造工艺方案与模具设计合理,支撑座产品性能稳定可靠,并推广应用到其它同类转K2、转8G 等型号的锻钢支撑座的开发制造。

论文目录:

中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 概述

1.2 文献评述

1.2.1 金属塑性成形过程的研究方法

1.2.2 金属体积成形数值模拟研究进展

1.2.3 支撑座成形工艺研究进展

1.3 课题的研究背景及意义

1.3.1 课题的背景

1.3.2 课题的研究意义

1.4 研究内容、目标

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究目标

1.5 研究方法及技术路线

2 锻钢支撑座成形工艺分析

2.1 支撑座成形技术特点和关键工艺概述

2.2 关键技术及工艺流程

3 弹塑性有限元理论及 ANASYS 软件中的应用

3.1 弹塑性有限元基本理论

3.1.1 物体构形和运动的描述

3.1.2 有限变形中的应变张量

3.1.3 有限变形中的应力张量

3.1.4 有限变形中的应变率和应力率

3.2 有限变形弹塑性本构关系

3.3 弹塑性有限元列式

3.3.1 虚功原理

3.3.2 U.L.法有限元列式

3.4 ANASYS 软件简介

3.5 本章小节

4 刚粘塑性有限元理论及网格重划分技术

4.1 概述

4.2 金属热成形中的粘性问题

4.2.1 粘塑性基本模型(BINGHAM 体)

4.2.2 粘塑性本构方程

4.3 刚粘塑性模型

4.3.1 刚粘塑性基本假设

4.3.2 刚粘塑性基本方程

4.4 刚粘塑性变分原理

4.5 刚粘塑性有限元列式推导

4.5.1 罚函数法

4.5.2 求解列式推导

4.6 有限元网格重划分技术

4.6.1 网格质量要求及网格重划分的必要性

4.6.2 有限元网格重划时数据的传递

4.6.3 新网格的生成方法

4.6.4 局部网格重定位技术

4.7 本章小节

5 支撑座结构受力有限元模拟分析

5.1 引言

5.2 基本失效理论

5.3 铸钢支撑座结构受力模拟分析

5.3.1 模型简化及模拟的初始条件

5.3.2 正压力计算及有限元模型

5.3.3 有限元模拟分析及结果

5.4 锻钢支撑座结构受力模拟分析

5.5.1 预设计支撑座结构受力模拟分析

5.5.2 优化支撑座保持环厚度的结构受力模拟分析

5.5.3 优化支撑座圆角半径为R10 结构受力分析

5.5.4 优化支撑座圆角半径为R12 结构受力分析

5.5 极限载荷作用下有限元模拟分析及结果

5.5.1 铸钢支撑座模拟分析

5.5.2 锻钢支撑座模拟分析

5.6 本章小结

6 锻钢支撑座锻造成形工艺模拟及优化

6.1 引言

6.2 坯料下料尺寸的确定

6.3 预设计的支撑座锻造工艺模拟

6.3.1 模型简化及模拟初始条件

6.3.2 镦粗模拟结果分析

6.3.3 终锻模拟结果分析

6.4 初步优化的成形工艺模拟

6.4.1 模型简化及初始条件

6.4.2 成形过程模拟结果

6.5 最终优化的支撑座锻造工艺模拟

6.5.1 模型简化及初始条件

6.5.2 镦粗模拟结果分析

6.5.3 终锻模拟结果分析

6.5.4 载荷-行程曲线

6.6 预成形对支撑座成形影响规律研究

6.6.1 引言

6.6.2 预成形毛坯的形状、尺寸及放置位置对成形的影响

6.7 本章小节

7 工艺试制结果及分析

7.1 试验材料及模具

7.2 工艺试制简况

7.2.1 试制工作情况概述

7.2.2 工艺准备

7.2.3 产品试制

7.2.4 工艺试制中的主要问题及对策

7.2.5 支撑座锻造质量检测

7.2.6 支撑座机加工(成品)检测

7.3 工艺试制结论

7.3.1 项目考核指标的实现情况

7.3.2 推广应用情况

7.3.3 课题取得的技术突破

7.4 本章小节

8 结论

致谢

参考文献

附录

科学技术成果鉴定证书

独创性声明

学位论文版权使用授权书

发布时间: 2005-11-07

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