两面顶模具热力耦合分析与缠绕张力数值模拟

论文摘要

我国超硬材料行业经过四十多年的发展,已无可争议地成为人造金刚石生产大国,金刚石年产量占世界总产量的七成以上,但生产技术含量低、产品档次不高、牌号少,在高品级金刚石研发与生产上远落后于发达国家,属典型的大而不强。目前的现状是,我国以六面顶装置生产中、低档金刚石为主,其产量占总量的98%左右,以两面顶装置生产的高档金刚石产量只占总量的1～2%,这就使中低档金刚石产品严重过剩,高档产品严重不足。国产两面顶模具相关技术与国际先进水平存在较大差距,寿命低、生产成本高,严重制约了我国两面顶模具技术的推广、普及和发展。随着两面顶模具的日益大型化,模具核心部件——压缸的使用寿命,已成为国产两面顶技术发展的瓶颈。本课题正是顺应国际超硬材料合成设备的发展趋势和国产两面顶模具技术发展的迫切要求而提出并完成的。到目前为止,国内大型两面顶模具的设计与制造技术问题一直没有得到很好的解决。为了改善压缸的强度,延长其使用寿命,应对两面顶模具的受力状况进行科学的分析,进而对压缸预应力分布状态进行优化设计,从而改善其受力状态,确保压缸的最佳工作性能。国内两面顶模具设计方法多带有人为的经验,缺乏理论上的支持。此外,还值得探讨的是,对于一种有效的模具预紧技术——钢带缠绕预应力模具,国外已针对其工业应用开展了大量研究,而国内几乎还是空白。本文以两面顶模具压缸为研究对象,综合运用理论分析和数值模拟方法,以接触问题和非线性有限元法的基本理论为基础,开展两面顶模具压缸热力耦合分析、对模具的失效机理进行力学分析以及钢带缠绕预应力模具缠绕过程的数值模拟研究,并将数值模拟与优化技术相结合,实现了iSIGHT环境下压缸预紧力的优化。第一,本文借助MARC软件平台建立了压缸和外层预应力环真实压装配合的有限元分析模型,得到模具在仅受预紧力作用下的应力分布。通过与Lame公式理论解的比较,验证了利用MARC的接触算法模拟过盈装配的可行性和适用性。第二,本文利用FORTRAN语言编制MARC用户子程序,实现压缸温度和应力边界条件的自动、精确加载,建立了完善的仿真模型。在此基础上,分析了压缸在工作状态下受预紧力、内压力和热载荷相互耦合作用时的受力状况,获得了等效应力分布、热应力以及接触应力各个分量的分布和变化规律。文中所做的热力耦合分析,模拟了生产过程中压缸的实际受力情况,使得数值模拟更客观地反映了压缸的受力状态。针对以上有限元分析结果,结合实际生产中压缸主要的三种破坏形式,从力学角度阐明了压缸的失效原因。第三,本文通过MARC软件建立了钢带缠绕模具缠绕过程的动态模型,对钢带缠绕过程进行数值模拟,得到了钢带缠绕过程中钢带内部的等效应力、层间压力等信息。以上研究工作对缠绕张力设计理论以及生产实践具有非常重要的意义。第四,本文将数学规划思想引入到压缸预紧力的优化设计中,采用了有限元分析软件MARC、优化平台iSIGHT,以及自编FORTRAN语言程序实现了数值模拟软件与优化软件的集成。完成了iSIGHT引导MARC进行优化设计方案的修改与调用批处理文件自动进行有限元分析,大量节约了人机交互过程,省去了以往人工反复修改模型、然后再进行有限元分析的步骤,并最终得到了优化结果。综上所述,本文所作的研究,可以为两面顶模具和钢带缠绕模具的设计、优化、模型的建立等提供技术支持,对于完善相关的模具设计理论和指导实际生产具有理论参考和工程应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 人造金刚石合成设备
• 1.1.1 两面顶超高压高温装置
• 1.1.2 六面顶超高压高温装置
• 1.1.3 凹砧式超高压高温装置
• 1.2 两面顶模具相关技术的研究进展
• 1.2.1 年轮式模具预紧技术
• 1.2.2 缠绕式模具预紧技术
• 1.3 存在的问题
• 1.4 选题意义
• 1.5 主要研究内容
• 第二章 数值模拟的理论基础
• 2.1 接触问题
• 2.1.1 接触界面条件
• 2.1.2 接触力的计算
• 2.1.3 摩擦力的计算
• 2.1.4 求解过程
• 2.1.5 单元形式和网格划分
• 2.2 非线性问题
• 2.2.1 非线性问题的分类
• 2.2.2 非线性有限元法的建立
• 2.3 热力耦合分析
• 2.4 有限元软件MARC
• 2.5 MARC 对接触问题的处理
• 2.5.1 接触问题的无穿透约束条件
• 2.5.2 刚体与变形体之间的接触约束
• 2.5.3 相临接触段的关系及探测
• 2.5.4 刚性接触体的运动描述
• 2.5.5 法向接触力模型
• 2.5.6 切向摩擦力模型
• 2.6 单元描述
• 2.7 小结
• 第三章 两面顶模具装配过程的有限元分析
• 3.1 接触问题模型的适用性分析
• 3.1.1 过盈配合
• 3.1.2 模型假设条件
• 3.1.3 模型参数
• 3.1.4 网格划分和单元选择
• 3.1.5 边界条件
• 3.1.6 接触定义
• 3.1.7 结果与分析
• 3.1.8 Lame 公式理论解及模型适用性验证
• 3.1.9 三维分析
• 3.2 压缸预紧有限元分析
• 3.2.1 模型参数
• 3.2.2 有限元模型
• 3.2.3 结果与分析
• 3.3 小结
• 第四章 两面顶模具压缸热力耦合分析
• 4.1 压缸受力分析
• 4.2 热力耦合分析的顺序耦合法
• 4.3 压缸温度场和热应力
• 4.3.1 有限元模型
• 4.3.2 结果与分析
• 4.4 合成状态下压缸应力场分析
• 4.4.1 有限元模型
• 4.4.2 边界条件的加载
• 4.4.3 结果与分析
• 4.5 小结
• 第五章 钢带缠绕模具缠绕过程的有限元分析
• 5.1 钢带缠绕模型
• 5.1.1 模型假设条件
• 5.1.2 模型参数
• 5.1.3 网格划分和单元选择
• 5.1.4 边界条件
• 5.1.5 接触及摩擦条件
• 5.2 结果与分析
• 5.2.1 钢带层内部受力分析
• 5.2.2 模芯径向压力分析
• 5.3 小结
• 第六章 压缸预紧力优化
• 6.1 优化方法选择
• 6.2 优化集成软件ISIGHT
• 6.3 ISIGHT 环境下压缸预紧力的优化
• 6.3.1 优化过程集成
• 6.3.2 压缸预紧力临界值的确定
• 6.3.3 压缸预紧力优化
• 6.4 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A：攻读硕士学位期间发表论文及科研情况