基于虚拟制造技术的报废汽车回收金属破碎过程研究

论文摘要

金属循环资源的有效回收利用，可大大减少对自然矿物资源的开采耗用，达到减少土地占用、降低社会总能耗、节约投资、保护生态环境、提高劳动生产效益的目的。特别是在自然矿物资源极度消耗并日趋匮乏的今天，金属循环资源在世界经济可持续发展战略中的地位就愈显突出。目前世界各国都在积极有效地回收利用金属循环资源，以适当抑制矿物资源和能源的长期过渡耗费。此外，随着国民经济的不断增长和人民生活水平的不断提高，人们的消费观念、结构及水平正发生急剧变化，轿车等大型家电设备正迅速步入家庭。为满足上述产品回收利用的需要，提高回收处理的机械化程度，有预见性地研究“轻薄型回收金属破碎再生资源化”这一颇具潜力和广阔应用前景的产业化技术是十分必要的。论文从建立报废汽车轻薄型回收金属破碎过程的几何学、运动学、动力学及数字仿真模型出发，分析研究了破碎工具与回收金属间的相对位置关系、相互运动关系及作用力与反作用力关系。对轻薄型回收金属破碎过程中的几何非线性、材料非线性、状态非线性及其数值仿真算法进行了理论分析研究，得出了报废汽车轻薄型回收金属破碎过程中，非线性问题的求解计算方法及相应的结论。通过建立“58.84／29.42J标准材料冲击试验机”虚拟数字化样机，对其实施了适应于报废汽车轻薄型回收金属破碎试验的改造，精确计算了不同配重破碎锤的破碎速度及破碎冲击功。在此基础上，进行了所选两类报废汽车不同部位轻薄型回收金属覆盖件的破碎试验。获得了相应试验数据。利用非线性分析工具ANSYS／LS-DYNA，对所研究两类报废汽车轻薄型回收金属覆盖件的破碎试验过程进行了数值仿真，通过仿真结果与试验结果的分析比对，对轻薄型回收金属破碎过程的仿真模型及方法进行了反复修改和完善，最终得出一整套适合于报废汽车轻薄型回收金属破碎过程仿真研究的模型创建路径、单元类型（包括实常数定义和算法选择等）及材料属性定义原则、网格划分及控制的准则、接触界面及相关参数的描述方式、载荷及约束等初始条件的定义方法。深入研究了采用和不采用沙漏控制的“单点高斯积分”及“多点高斯积分”仿真过程和结果的异同，得出了沙漏模态控制的基本方法。研究表明：报废汽车轻薄型回收钢板破碎试验结果与该过程的计算机仿真结果非常接近，完全可以使用相同的仿真方法对其它报废汽车轻薄型回收金属破碎过程进行仿真分析。利用报废汽车轻薄型回收金属破碎试验过程的仿真理论及方法，对载重汽车槽形断面主梁、多层箱式轻薄型回收金属钢板、带窗轻薄型回收金属矩形箱体的各种破碎过程进行了大量的计算机仿真。分析研究了不同锤击点位置、不同悬臂长度、不同破碎锤前端球头直径、不同锤击速度、不同钢板厚度、不同材质、不同锤头质量及不同放置方式对相应破碎过程的影响程度。得出了不同破碎过程特征参数对破碎效果影响程度不同的结论，找到了影响破碎过程的敏感因素。对报废汽车轻薄型回收金属破碎过程的仿真分析，可以得出如下结论：随破碎锤冲击动能及回收金属应变率的增加，轻薄型回收钢板的破碎效果越好，即被击穿撕裂的面积越大；随破碎锤头前端球头半径的增大，轻薄型回收钢板被击穿撕裂的面积减小；当锤击点与夹持支撑面间的距离增大时，轻薄型回收金属结构的柔性增加、支撑刚度下降，形成了对破碎锤的避让效应，从而导致破碎能力的极大削弱；在轻薄型回收钢板厚度减小的过程中，虽然回收金属产生破裂时所需要吸收的能量减少，但由于回收金属结构整体刚度的下降，产生了轻薄型回收金属破碎撕裂面积先增大尔后减小的现象。综上所述，对报废汽车轻薄型回收金属破碎效果影响较明显的因素有：破碎速度；锤击点与夹持支撑面间的距离；破碎锤前端球头半径则要在某一临界值之后，才会产生较大影响；破碎锤质量、悬臂长度、回收金属材质及放置方式的影响相对要小一些，也就是说，这些因素都是一些次要因素，他们对轻薄型回收金属破碎效果的影响并不十分显著。在报废汽车轻薄型回收金属破碎过程仿真研究的基础上，利用虚拟样机技术，产生了可重用的破碎系统虚拟数字化零件，对上述数字化零件进行虚拟装配，生成破碎系统虚拟数字化样机，并对该虚拟样机进行干涉检查，评估，修改、优化和运动仿真等。利用该虚拟样机，对其机电匹配（如主电机功率，飞轮参数等）机理、加工性能、力学性能、制造装配、质量检验、各级过程管理进行预测和分析。从而提供轻薄型回收金属破碎系统整个生命周期中（破碎机设计研发，加工生产，回收利用，破碎工艺预估、预测及规划管理，产品销售使用等）的数字化工程支持平台。总之，本文采用虚拟制造技术，对报废汽车轻薄型回收钢板破碎过程及技术所进行的探索性研究是可行的，它为轻薄型回收金属破碎系统的进一步研究开发提供了有效的依据、方法和可供借鉴的经验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 钢铁资源供给的新态势
• 1.3 利用钢铁循环资源的重要意义
• 1.4 钢铁循环资源的特征
• 1.5 钢铁循环资源的来源
• 1.6 钢铁循环资源处理技术的研究进展
• 1.7 钢铁循环资源处理设备概况
• 1.8 锤式破碎机的性能参数
• 1.9 课题的提出及主要研究工作
• 第二章 轻薄型回收金属破碎过程模型研究
• 2.1 概述
• 2.2 轻薄型回收金属破碎过程的几何学模型和力学模型研究
• 2.3 破碎设备机电系统动力学模型研究
• 2.4 轻薄型回收金属破碎过程实体模型建立
• 2.5 轻薄型回收金属破碎过程有限元模型建立
• 2.6 轻薄型回收金属破碎过程的数学模型研究
• 2.7 本章小结
• 第三章 回收金属破碎过程中的非线性问题
• 3.1 概述
• 3.2 回收金属破碎过程中的有限变形分析
• 3.3 回收金属破碎过程中的应力分析
• 3.4 回收金属破碎过程中的塑性应力应变关系
• 3.5 回收金属的屈服条件
• 3.6 回收金属的强化规律
• 3.7 回收金属的流动法则
• 3.8 回收金属的弹塑性增量本构关系
• 3.9 破碎工具与回收金属的状态非线性
• 3.10 非线性耦合问题的求解
• 3.11 计算机仿真中的沙漏控制技术
• 3.12 本章小结
• 第四章 回收金属破碎过程试验研究
• 4.1 概述
• 4.2 试验装置建立
• 4.3 破碎速度及冲击功计算
• 4.4 试验用报废汽车钢板的特性
• 4.5 破碎锤材料的选择
• 4.6 报废汽车轻薄型回收钢板的破碎试验
• 4.7 本章小结
• 第五章 回收金属破碎过程仿真研究
• 5.1 概述
• 5.2 利用ANSYS/LS-DYNA求解回收金属破碎问题的过程
• 5.3 轻薄型回收金属破碎试验的计算机仿真
• 5.4 槽形断面汽车主梁破碎过程的计算机仿真
• 5.5 多层轻薄型回收金属薄板破碎过程的计算机仿真
• 5.6 矩形箱式轻薄型回收金属落锤式破碎过程的计算机仿真
• 5.7 本章小结
• 第六章 回收金属破碎系统的虚拟制造
• 6.1 概述
• 6.2 虚拟制造技术的国内外研究现状
• 6.3 虚拟制造的关键技术、研究任务及存在的问题
• 6.4 报废汽车轻薄型回收金属破碎系统虚拟制造
• 6.5 本章小结
• 第七章 结果分析与讨论
• 7.1 研究内容与结论
• 7.2 创新性研究内容
• 7.3 论文中存在的不足
• 7.4 需要进一步深入研究的工作
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读博士学位期间发表的学术论文目录
• 附录B 攻读博士学位期间获得的奖励
• 附录C 攻读博士学位期间完成的科研工作
• 附录D 报废汽车轻薄型回收金属主要成份化验报告