基于有限元方法的陶瓷泥料辊压成形工艺参数的研究

论文摘要

辊压成形陶瓷砖在现今陶瓷砖成形领域尚属新的成形方法。该方法与传统的干压成形完全不同。它要求成形坯体具有一定的可塑性,是一种可塑性成形法。该方法操作简单,适应性强,可根据陶瓷砖的几何形状和成形要求作相应调整。本文以辊压成形陶瓷泥料为研究对象,结合有限元理论,运用ANSYS/LS-DYNA显式动力有限元分析软件,建立了陶瓷泥料辊压成形过程的四分之一模型,引入适当的约束条件,通过数值模拟得到了泥料在辊压成形过程中的应力场、应变场及位移场的分布规律。本文通过对泥料辊压过程中变形规律的分析,结合实际辊压成形中的工艺参数,运用数值模拟技术详细讨论了泥料在辊压成形中压辊的直径与转速、压下量及泥料可塑性能等参数对陶瓷砖坯成形质量的影响。其中包括:（1）对成形后坯体表面的平面度的影响,即表面有无明显凹凸的波纹现象,对此主要分析了辊压后泥料表面各处在厚度方向上位移差;（2）对成形后泥料质量的影响,即泥料辊压后有无变形或开裂,对此重点分析了辊压后泥料内存在的等效应力分布规律。通过模拟分析发现,在不同的工艺参数影响下,泥料辊压后的表面平面度较好,即没有明显的凹凸波纹产生。对于宽度方向上延伸,其变化很小,相对整体尺寸来说基本可以忽略。另外,通过泥料辊压成形数值模拟,分析得到压辊直径、压辊转速及压下量等工艺参数直接影响泥料辊压成形后内部等效应力的分布。经过对模拟结果的分析,在保证一定生产效率的情况下,压辊转速一般在15r/min-60r/min左右,压辊直径在180mm-240mm左右,压下量在2.25mm-2.75mm左右时,辊压后泥料内部整体的残余应力较小且较均匀。总体来讲,本课题主要揭示了泥料在辊压成形过程中的流动变形的基本规律,提出了相关理论,为辊压成形设备的设计及工艺的进一步研究提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 可塑泥料的塑性成形
• 1.2.1 陶瓷泥料的可塑性
• 1.2.2 可塑成形原理及对工艺的要求
• 1.3 陶瓷泥料辊压成形工艺及设备
• 1.3.1 辊压成形工艺的特点
• 1.3.2 辊压成形的基本原理及对泥料的塑性要求
• 1.3.3 辊压成形工艺的现状与应用
• 1.3.4 辊压成形工艺存在的主要问题
• 1.4 有限元技术在辊压成形过程模拟中的应用
• 1.5 课题来源、研究目的及意义
• 1.6 本文的主要研究内容
• 2 有限元数值模拟基本理论及应用
• 2.1 引言
• 2.2 有限元基本理论概述
• 2.2.1 有限元法基本理论
• 2.2.2 有限变形的应力应变描述
• 2.2.3 刚度矩阵的建立
• 2.2.4 非线性有限元法的求解
• 2.3 有限元商用软件的发展
• 2.4 小结
• 3 陶瓷泥料辊压过程的显式动力有限元模型的建立
• 3.1 引言
• 3.2 ANSYS/LS-DYNA软件简介
• 3.3 显式动力有限元分析
• 3.3.1 显式动力学有限元基本理论
• 3.3.2 显式算法与隐式算法的比较
• 3.3.3 接触问题的描述
• 3.3.4 质量缩放与混合时间积分
• 3.4 辊压过程有限元分析模型
• 3.4.1 控制方程
• 3.4.2 假设条件及单位的统一
• 3.4.3 几何模型的建立
• 3.4.4 单元类型的选择
• 3.4.5 材料模型
• 3.4.6 边界条件及约束的确定
• 3.5 小结
• 4 陶瓷泥料辊压过程的模拟及分析
• 4.1 引言
• 4.2 模拟结果分析
• 4.2.1 泥料的应力场分析
• 4.2.2 泥料的应变场分析
• 4.2.3 泥料的位移场分析
• 4.3 各工艺参数对辊压成形影响的分析
• 4.3.1 泥料辊压成形质量的评价
• 4.3.2 辊压速度的影响
• 4.3.3 压下率的影响
• 4.3.4 辊径尺寸的影响
• 4.4 泥料本身性能对辊压成形过程的影响
• 4.5 小结
• 5 泥料辊压成形数值模拟正交实验法
• 5.1 引言
• 5.2 正交实验设计理论
• 5.2.1 正交试验设计的基本概念
• 5.2.2 正交表
• 5.2.3 正交试验设计的基本方法
• 5.3 辊压成形的正交试验
• 5.3.1 正交试验方案的设计与正交表的应用
• 5.3.2 正交试验的结论
• 5.4 泥料辊压成形的单独模拟试验
• 5.5 模拟结果与试验结果对比
• 5.6 小结
• 6 总结与展望
• 6.1 课题工作总结
• 6.2 研究工作展望
• 致谢
• 参考文献