钢管减径过程有限元分析及机架力学特性研究

论文摘要

定（减）径是热轧无缝钢管生产中的精轧工序,其工艺水平的高低直接关系到成品的质量和成材率,无缝钢管定减径成形工艺由以前的经验分析到定量分析,这是现代科学技术发展的必然趋势。钢管减径时存在明显的金属横向流动和宽展,在研究减径过程中轧件内部应力及变形分布的基础上,采用工程计算法求解轧制过程的变形力,能够正确选择压力加工设备和轧辊的结构及强度；分析减径变形时金属流动的规律,可以寻求荒管的形状尺寸与加工后成品管的形状尺寸的关系,因此对其进行研究对于制定合理的轧管工艺具有重要的意义。本文具体研究方法为：以冷尺寸为φ733.17×20.50mm的荒管经5架定减径机组减径后,达到φ720×20.70mm的成品管的过程为研究对象,利用经典的金属轧制变形理论和弹塑性有限元理论对减径过程进行分析研究。在此基础上,采用工程法计算了各机架钢管壁厚值和轧制力的大小；利用ANSYS/LS-DYNA大型有限元分析软件,对减径过程变形区金属的三维流动过程进行了直观、适时、定量的有限元仿真模拟。用有限元模拟分析,得到变形区的应力应变分布状态,以及轧制力和壁厚的变化规律,与实际生产中钢管的变形结果基本一致,能够很好的解释横向壁厚不均现象,故用三维弹塑性有限元分析钢管定减径过程是有效的。利用ANSYS软件对减径机机架进行静态特性分析,得到机架的变形值和应力值,找到机架的危险点位置,对机架进行了优化设计；进行动态特性分析,得到机架的固有频率和振型,对于分析轧机机架的振动类型、判断振源等具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 国内外高精度无缝钢管轧制技术的现状及发展
• 1.2 无缝钢管的加工方法和工艺过程
• 1.3 钢管的定（减）径和张力减径工艺
• 1.4 金属塑性成形理论研究现状及发展
• 1.5 本课题的选题意义及主要研究内容
• 第2章 无缝钢管减径理论研究及工程计算法分析
• 2.1 钢管在减径时的变形理论
• 2.1.1 钢管定减径时的应力应变分析
• 2.1.2 张力对钢管定减径变形的影响
• 2.2 减径过程壁厚变化理论分析
• 2.2.1 张力系数及其分配
• 2.2.2 减径率及其分配
• 2.2.3 壁厚变化理论公式的推导
• 2.3 工程法计算轧制力和壁厚
• 2.3.1 定减径工艺的初始条件及参数确定
• 2.3.2 减径率的确定及分配
• 2.3.3 张力系数的确定及分配
• 2.3.4 各机架钢管壁厚的计算
• 2.3.5 轧制力的计算
• 2.4 本章小结
• 第3章 机架的有限元计算分析和优化设计
• 3.1 有限元法简介
• 3.2 ANSYS软件简介
• 3.3 定径机机架的优化设计分析
• 3.3.1 原机架结构有限元分析
• 3.3.2 第一次改进结构有限元分析
• 3.3.3 第二次改进结构有限元分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 机架有限元模型与结构动态特性分析
• 4.1 机架有限元模型的建立
• 4.1.1 机架实体模型的建立
• 4.1.2 有限元模型单元选取和网格生成
• 4.2 机架的动态特性分析
• 4.2.1 机架的模态分析
• 4.2.2 机架模态和主振型分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 无缝钢管减径过程有限元模拟分析
• 5.1 ANSYS简介
• 5.1.1 ANSYS/LS-DYNA模块简介
• 5.2 简化与假设
• 5.3 边界条件的确定
• 5.3.1 材料特性
• 5.3.2 摩擦条件
• 5.3.3 网格划分
• 5.3.4 速度条件
• 5.3.5 温度条件
• 5.4 钢管减径过程有限元模拟
• 5.4.1 钢管减径过程有限元计算模型
• 5.4.2 模拟结果分析与讨论
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论和展望
• 参考文献
• 致谢