扁挤压筒受力与变形分析及结构优化设计研究

论文题目: 扁挤压筒受力与变形分析及结构优化设计研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料加工工程

作者: 李燕

导师: 刘全坤

关键词: 壁板挤压,扁挤压筒,数值模拟,物理模拟,神经网络与遗传算法

文献来源: 合肥工业大学

发表年度: 2005

论文摘要: 铝合金整体壁板具有比强度高、耐蚀性和气密性好、造型美观等优点,在制造业中日益得到广泛的应用,其成形过程主要由用组合式扁挤压筒在大型挤压机上完成。扁挤压筒在高温、高压、高摩擦的恶劣条件下工作,经常发生开裂。由于扁挤压筒的受力和变形特征尚未被真正掌握,影响了模具的强度和使用寿命,因而限制了它的应用和推广。为了改善扁挤压筒的强度,延长其使用寿命,应对组合式扁挤压筒的受力和变形状况进行科学的分析,进而对扁挤压筒进行优化设计,才能充分发挥模具材料的潜力,确保扁挤压筒的最佳工作性能。 本文以扁挤压筒为研究对象,综合运用数值模拟和物理模拟方法,对壁板挤压成形规律和组合式扁挤压筒受力、变形状况进行了全面系统的分析,并结合神经网络和遗传算法思想,对扁挤压筒结构尺寸进行优化设计,取得了有重要意义的结论和对实际应用有指导作用的成果。 首先系统地介绍了刚(粘)塑性有限元法的基本理论,并以此作为扁挤压筒数值模拟分析的理论基础,对其实现过程中的若干关键技术问题进行了研究,提出了解决方法。 综合运用刚塑性和弹塑性分析方法研究扁挤压筒挤压成形壁板这一复杂问题,即先借助MSC.SuperForm软件平台分析成形过程,获得工作状态下挤压毛坯作用于扁挤压筒内壁的压力沿高度方向和沿型腔环线方向的分布情况;然后借助ANSYS软件平台将获得的真实内压力分布规律作为边界条件引入,用APDL语言编程,分析了三层组合扁挤压筒在热-预紧-非均匀内压力作用下的受力与变形状况。文中所做的热、预紧和非均匀内压力效应的综合分析,既保证了相互作用的关联性,又获得了全过程的完整解,使得数值模拟更客观地反映了扁挤压筒的受力状态,为后续组合式扁挤压筒的优化设计提供了必要的技术支持。 用ANSYS软件提供的接触单元法分别对采用圆形内层套和椭圆形内层套两种结构下的扁挤压筒(两层)在预紧装配时的内孔变形规律进行了研究,针对内孔型腔变形的不均匀性,提出了扁挤压筒结构改进方案——圆度设计法,即用椭圆形内层套代替圆形内层套,使内孔变形均匀化,从而提高扁挤压筒型腔的尺寸精度,简化后续的修模工作。 为了验证上述数值模拟结果的准确性,从两个方面开展了物理模拟工作。一是用光弹性实验法对扁挤压筒挤压成形壁板过程进行模拟,确定了挤压力的作用方式和扁挤压筒内部的应力分布;另一是用钢模比拟法对扁挤压筒预紧装配过程进行模拟,获得了挤压筒内孔型腔变形规律。实验结果与数值模拟结果一致,表明数值模拟结果正确可靠。用光弹性实验方法测定扁挤压筒内压力的作用方式,并以此作为有限元计算的边值条件,代替以往的均匀内压力作用的假设,提高了计算的精度,使挤压模具的优化设计更加科学合理。 最后将神经网络技术和遗传算法思想引入到扁挤压筒结构优化设计中,先按影响扁挤压筒受力的主要因素(各层直径、各层间过盈量及工作内压)设计正交试验,在Matlab7.0平台下训练一个BP神经网络,找出扁挤压筒结构尺寸、工作状态与内部各点处等效应力之间的映射关系,再结合遗传算法,按等强度设计思想优化模具结构尺寸,得出一套可行的智

论文目录:

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 整体壁板挤压工艺与模具研究进展

1.2.1 挤压工艺研究进展

1.2.1.1 挤压是壁板成形的最佳方法

1.2.1.2 壁板挤压工艺研究进展

1.2.2 挤压模具研究进展

1.2.2.1 挤压模具发展概况

1.2.2.2 挤压模具设计与制造水平分析

1.3 整体壁板挤压研究方法

1.3.1 研究方法综述

1.3.2 数值模拟技术在壁板成形及扁挤压筒强度分析中的应用

1.3.2.1 有限元法的三大类基本方法及其应用

1.3.2.2 有限元法的关键技术及其通用软件

1.3.3 物理模拟技术在壁板成形及扁挤压筒强度分析中的应用

1.4 整体壁板挤压参数优化研究进展

1.5 整体壁板挤压CAD／CAE／CAM一体化技术研究

1.6 立项背景及课题来源

1.6.1 立项背景

1.6.2 课题来源

1.7 研究内容及方法

1.7.1 研究内容

1.7.2 研究方法

1.8 本章小结

第二章 刚塑性有限元法基本理论

2.1 刚塑性有限元理论

2.1.1 刚塑性材料基本假设

2.1.2 刚塑性体塑性力学基本方程及边值条件

2.1.3 刚(粘)塑性材料的本构关系

2.1.4 刚(粘)塑性材料有限元的变分原理

2.1.5 刚塑性有限元计算方法

2.1.6 刚(粘)塑性有限元矩阵方程及求解过程

2.2 塑性成形过程中温度场分析

2.2.1 塑性成形过程中的传热学基本方程

2.2.2 热传导中的变分原理及有限元求解

2.3 本章小结

第三章 数值模拟中的关键技术

3.1 分析对象几何模型的建立

3.1.1 型腔和坯料几何模型的建立

3.1.2 组合式扁挤压筒几何模型的建立

3.2 有限元网格的生成

3.2.1 挤压坯料有限元网格的生成

3.2.2 组合式扁挤压筒有限元网格的生成

3.2.3 网格的数量和质量

3.3 材料参数的定义

3.3.1 变形毛坯材料的定义

3.3.2 扁挤压筒材料的定义

3.4 接触的处理

3.4.1 接触的类型和描述方法

3.4.2 壁板挤压成形过程模拟时接触的定义

3.4.3 组合扁挤压筒变形和应力分析时接触的定义

3.5 摩擦条件的施加

3.6 网格自适应与重划分

3.6.1 网格自适应技术

3.6.2 网格重划分技术

3.7 求解方法及其收敛控制

3.7.1 更新的拉格朗日法和更新的欧拉法

3.7.2 非线性方程组的求解及收敛控制

3.7.3 求解器的选择

3.8 热-力耦合的处理

3.9 刚塑性交界面的处理

3.10 本章小结

第四章 壁板挤压成形过程的数值模拟

4.1 软件的选择

4.2 基本原理与求解步骤

4.2.1 基本原理

4.2.2 求解步骤

4.3 结果分析

4.3.1 内压力沿轴向分布

4.3.2 内压力沿内孔型腔环向分布

4.4 本章小结

第五章 扁挤压筒变形及应力分布的数值分析

5.1 三层组合圆挤压筒变形及应力分布的数值分析

5.1.1 三层组合圆挤压筒分析模型的建立

5.1.2 三层组合圆挤压筒仅受预紧作用时变形及应力分析

5.1.2.1 三层组合圆挤压筒仅受预紧作用时变形分析

5.1.2.2 三层组合圆挤压筒仅受预紧作用时应力分析

5.1.3 三层组合圆挤压筒在预紧力和工作压力联合作用下的变形及应力分析

5.1.3.1 三层组合圆挤压筒在预紧力和工作压力联合作用下的变形分析

5.1.3.2 三层组合圆挤压筒在预紧力和工作压力联合作用下的应力分析

5.1.4 三层组合圆挤压筒变形及应力分析结论

5.2 均匀内压力作用下三层组合扁挤压筒变形及应力分布的数值分析

5.2.1 均匀内压力作用下三层组合扁挤压筒分析模型的建立

5.2.2 三层组合扁挤压筒仅受预紧作用时变形及应力分析

5.2.2.1 三层组合扁挤压筒仅受预紧作用时变形分析

5.2.2.2 三层组合扁挤压筒仅受预紧作用时应力分析

5.2.3 三层组合扁挤压筒在预紧力和工作压力联合作用下的变形及应力分析

5.2.3.1 三层组合扁挤压筒在预紧力和工作压力联合作用下的变形分析

5.2.3.2 三层组合扁挤压筒在预紧力和工作压力联合作用下的应力分析

5.2.4 均匀内压力作用下三层组合扁挤压筒变形及应力分析结论

5.3 非均匀内压力作用下三层组合扁挤压筒变形及应力分布的数值分析

5.3.1 非均匀内压力作用下三层组合扁挤压筒分析模型的建立

5.3.2 非均匀内压力作用下三层组合扁挤压筒变形分析

5.3.3 非均匀内压力作用下三层组合扁挤压筒应力分析

5.3.4 非均匀内压力作用下三层组合扁挤压筒变形及应力分析结论

5.4 预紧扁挤压筒内孔变形的再研究

5.4.1 分析模型的建立

5.4.2 数值模拟结果分析

5.4.3 内层套的进一步改进

5.4.4 结论

5.5 本章小结

第六章 物理实验验证

6.1 相似原理

6.1.1 相似理论

6.1.2 塑性成形过程物理模拟准则

6.1.3 塑性成形的模拟材料

6.2 扁挤压筒挤压时受内压力作用的光弹性实验研究

6.2.1 实验原理

6.2.2 材料选择

6.2.3 实验方案

6.2.4 结果分析

6.2.4.1 模腔挤压力分布

6.2.4.2 等效应力分布

6.2.4.3 周向应力和径向应力分布

6.2.5 与数值模拟结果对比

6.3 扁挤压筒装配时内腔变形的实验研究

6.3.1 模型建立及材料选择

6.3.2 实验方案

6.3.3 实验结果与分析

6.4 本章小结

第七章 扁挤压筒结构优化设计

7.1 引言

7.2 正交试验

7.2.1 基本原理

7.2.2 实施步骤

7.3 人工神经网络

7.3.1 BP网络模型与特点

7.3.2 BP学习规则

7.3.3 BP网络设计

7.3.4 BP网络训练步骤

7.4 遗传算法

7.4.1 基本思想

7.4.2 基本要素

7.4.3 求解步骤

7.4.4 特点和应用

7.5 基于BP和GA的三层组合凹模结构优化设计

7.5.1 建立组合凹模优化模型

7.5.2 训练BP神经网络并预测

7.5.3 遗传算法优化

7.5.4 理论验证

7.5.5 三层组合凹模结构优化设计结论

7.6 基于BP和GA的三层组合扁挤压筒结构优化设计

7.6.1 分析扁挤压筒受力的影响因素

7.6.2 设计正交试验

7.6.3 训练BP神经网络并预测

7.6.4 遗传算法优化

7.6.5 数值模拟验证

7.6.6 三层组合扁挤压筒结构优化设计结论

7.7 本章小结

第八章 全文总结与展望

8.1 全文总结

8.2 论文主要创新点

8.3 今后工作展望

作者在攻读博士学位期间参与的科研项目

作者在攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢

发布时间: 2006-01-13

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