三辊行星轧机轧制过程力分析

论文摘要

目前,国内外金属轧制生产技术的发展趋势是：大规模生产的高效化、短流程工艺、生产线连续作业、环境污染和能耗小。三辊行星轧机是最具代表性的短流程关键设备,其优点是单道次变形量大和良好的无扭连轧特性,可用于轧制钢、有色金属和一些难变形的合金材料,在棒材、线材和管材成型中获得日益广泛的应用。就国内外三辊行星轧机的理论研究而言,虽然取得了一定的研究成果,但仍有许多问题尚待研究。本文分别用传统的理论方法和有限元仿真的方法,对轧件的变形过程和轧制力能参数进行研究。论文简要叙述了三辊行星轧机的产生与发展、传动原理及其优点与不足。在总结前人研究设计轧机成果基础上,借助于已建立的轧件变形区微分几何模型和对轧辊与轧件几何关系的研究,详细分析了轧辊与轧件的接触面。根据卡尔曼单位压力微分求解原理,得到轧件变形区的单位压力表达式,进而推导出计算轧制力和轧制力矩的积分式,并采用数值分析的方法对其进行精确计算。根据实际轧制条件,选取适当的轧制参数,应用Visual Basic语言编程计算,获取轧制力、轧制力矩和电动机的功率。论文根据有限元法的基础理论,推导了大变形弹塑性有限元法和显式动力学有限元法的求解过程,成功利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对三辊行星轧机轧制的弹塑性大变形过程进行有限元仿真计算。在对轧机各主要部件进行合理简化的基础上,采用坐标变换的方法,将轧辊的轴线和轧件的中心线准确地在ANSYS/LS-DYNA软件中定位,建立起轧辊与轧件的三维实体有限元模型。根据仿真数据,对轧件的形状、等效应力和应变分布、轧制负荷以及轧件速度进行分析,讨论了转化轮系传动比和螺旋运动参数,确定了轧件中性面位置。论文采用传统的理论和编程计算轧制力能参数的方法,提高了计算效率,便于工程上的应用。基于ANSYS/LS-DYNA软件进行的有限元仿真分析,为进一步认识轧制过程中轧件的成形规律打下了基础,也为轧机设计提供了依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 三辊行星轧机的基本结构和工作原理
• 1.2.1 三辊行星轧机的基本结构和传动系统
• 1.2.2 三辊行星轧机的工作原理
• 1.3 三辊行星轧机的特点
• 1.4 三辊行星轧机的研制与发展
• 1.4.1 三辊行星轧机的国外研制情况
• 1.4.1.1 国外三辊行星轧机研究和应用
• 1.4.1.2 国外HRM轧机的研究和应用
• 1.4.2 三辊行星轧机的国内研制情况
• 1.4.3 三辊行星轧机的发展前景
• 1.4.3.1 PSW作为粗轧机
• 1.4.3.2 PSW为冷加工提供坯料
• 1.4.3.3 PSW可作为无缝管材轧机
• 1.5 三辊行星轧机的国内外理论研究
• 1.5.1 结构设计与传动原理分析
• 1.5.2 轧制过程的运动分析
• 1.5.3 辊型设计理论
• 1.5.5 轧制力计算
• 1.5.6 轧制过程有限元分析
• 1.6 选题的意义及研究内容
• 1.6.1 选题的意义
• 1.6.2 研究内容
• 第二章 轧件变形区微分几何模型
• 2.1 引言
• 2.2 轧辊的锥面方程及幺法矢
• 2.3 坐标变换矩阵
• 2.3.1 建立坐标系
• 2.3.2 坐标变换矩阵
• 2.4 轧辊与轧件接触点的相对速度
• 2.5 轧件表面方程和接触线方程
• rb^H和螺旋运动参数p'>2.6 转化轮系传动比i_rb^H和螺旋运动参数p
• rb^H'>2.6.1 转化轮系传动比i_rb^H
• 2.6.2 螺旋运动参数p
• 2.7 本章小结
• 第三章 轧制过程力能参数的计算
• 3.1 引言
• 3.2 轧件形状
• 3.2.1 轧件的轴面形状
• 3.2.2 轧件的端面形状
• 3.3 轧辊与轧件的接触面
• 3.3.1 接触线和边缘线
• 3.3.2 轧辊与轧件的接触面
• 3.4 单位压力
• 3.5 轧制力
• 3.6 轧制力矩
• 3.7 功率计算与电动机选择
• 3.8 实例
• 3.9 本章小结
• 第四章 有限元法及ANSYS/LS-DYNA
• 4.1 引言
• 4.2 有限元法
• 4.2.1 有限元法的基本原理和基本思想
• 4.2.2 塑性成形中的有限元法
• 4.2.3 大变形弹塑性有限元法
• 4.3 显式动力学有限元法与ANSYS/LS-DYNA
• 4.3.1 显式动力学有限元法
• 4.3.2 ANSYS/LS-DYNA简介
• 4.3.3 LS-DYNA分析的一般流程
• 4.3.4 LS-DYNA单元类型和材料模型
• 4.3.4.1 LS-DYNA单元类型
• 4.3.4.2 LS-DYNA材料模型
• 4.3.5 LS-DYNA网格划分
• 4.3.6 LS-DYNA接触问题
• 4.4 小结
• 第五章 PSW轧制过程有限元模型
• 5.1 引言
• 5.2 三辊行星轧机有限元模型的建立
• 5.2.1 轧制过程假设条件
• 5.2.2 模拟参数的选择
• 5.2.3 轧辊与轧件有限元模型的建立
• 5.3 定义接触和约束
• 5.3.1 接触分析
• 5.3.2 轧件轴线的约束
• 5.4 定义载荷
• 5.5 沙漏控制
• 5.6 小结
• 第六章 仿真结果与分析
• 6.1 引言
• 6.2 轧件等效应力和等效塑性应变分析
• 6.2.1 轧件等效应力分析
• 6.2.2 轧件等效塑性应变分析
• 6.3 轧辊受力分析
• 6.4 轧件前后端节点位移和速度分析
• rb^H和螺旋运动参数p的讨论'>6.5 转化轮系传动比i_rb^H和螺旋运动参数p的讨论
• 6.6 中性面
• 6.7 小结
• 第七章 结论和展望
• 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目录）
• 附录B （ANSYS/LS-DYNA部分命令流文件说明）