差速成形辊卷制锥筒件过程的数值模拟研究

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1、差速成形辊卷制锥筒件过程的数值模拟研究NumericalSimulationonBendingforConicalCylinderswithDifferentialRollers作者姓名：王晓霖专业名称：材料工程指导教师：付文智刘卫国学位类别：工学硕士答辩日期：2015年5月31日摘要摘要论文题目：差速成形辊卷制锥筒件过程的数值模拟研究锥筒件作为一种常见的板料成形件，广泛应用于航空航天、汽车、石油化工、船舶等多个领域。目前，锥筒形件的卷制成形主要靠卷板机完成，传统锥筒件的卷板成形方法主要有分区卷制法、辅助套筒法、锥辊成形法以及四辊夹紧法。虽然上述方法各有特点

2、，但都存在一定的缺陷：分区卷制法耗时费力、成形精度低；辅助套筒法与锥辊法不适用于大锥度锥筒的卷制；四辊夹紧法成形过程较复杂，对设备的控制系统要求较高。本文采用差速成形辊卷板成形技术，通过改变两端工作辊的辊速可实现任意锥角的锥筒件的成形，不仅解决了传统成形方法出现的问题，且该技术成形设备结构简单，成形精度高且成形过程快速稳定。本文主要利用有限元分析软件ABAQUS，采用动态显式方法对差速成形辊卷制锥筒件的过程进行数值模拟，详细研究工作辊辊速比与上辊下压量对锥筒成形件的影响，为差速辊卷板设备的设计开发与成形工艺的优化提供指导。主要研究内容及结果如下：(1)介绍了

3、差速辊卷板成形的原理，分析卷板成形主要部件的几何关系。详细说明有限元模型的建立过程，包括材料属性的设置、单元类型的选择、网格划分、边界条件与接触条件的设置、局部坐标系中材料方向的确定。最后通过模拟实例验证了参数设置的合理性。(2)建立圆筒件卷板成形的有限元模型，结合模拟结果分析虚拟辊速对成形半径的影响，从而确定卷板成形模拟中合适的虚拟辊速。然后改变工作辊辊速，分析辊速比对锥筒件成形结果的影响，模拟结果表明：不同板料在成形过程中，都存在一个特定的最佳辊速比使其成形效果为最好，辊速比偏大或偏小都会导致锥筒两端发生错位现象；最佳成形辊速比随锥筒件大、小圆半径比的增

4、大而增大；当锥筒件半径比不变时，辊速比也不变，而且下压量对最佳辊速比的影响很小。(3)推导对称式三辊卷板成形时下压量与圆筒件成形半径间的几何关系，分析数值模拟结果得出：关于下压量与成形半径的关系，模拟结果与理论计算结果基本吻合，即圆筒件半径随下压量增加呈幂函数关系递减。在上述研究基础上，对差速辊卷板成形锥筒件过程进行模拟仿真，分析上辊下压量对锥筒件成形半径的影响，结果表明：对于尺寸相同的板料，锥筒件大、小圆成形半径随下压量增加而减小；对于尺寸不同的板料，即使下压量相同，成形后锥筒件大、小圆半径也各不相同；修正所得成形后的锥筒件平均半径随下压I吉林大学硕士学位

5、论文量增加也呈幂函数关系递减。(4)深入研究了锥筒件成形过程中板料厚度方向以及上、下表面的应力应变分布情况，模拟结果表明：在加载过程中板料大、小圆两端沿厚度方向的应力变化相同，但在卸载过程中板料两端厚度方向的应力变化各不相同；成形结束后，同一表面上的残余应力分布大体分为两个区域，以锥筒外表面为例，靠近小圆端的区域为拉应力，靠近大圆端的区域为压应力；随着下压量的增加，塑性应变值逐渐增加，而锥筒件外表面拉应力区域面积先增加而后趋于稳定。关键词：数值模拟，锥筒件，卷板成形，差速成形辊，下压量IIAbstractAbstractTitle:NumericalSimu

6、lationonRollBendingforConicalCylinderswithDifferentialRollersAsacommonsheetformingparts,conicalcylinderwidelyappliedinmanyfieldssuchasaerospace,automobile,petrochemical,shipbuildingandsoon.Atpresent,therollbendingformingofconicalcylinderismainlybybendingmachine.Thetraditionalwaysof

7、formingincludepartitionbendingmethod,auxiliarysleevemethod,cone-rollerbendingmethodandfour-rollerclampingmethod.Althoughtheabovemethodshavetheirowncharacteristics,therearesomedefects:Partitionrollbendingisatime-consumingmethod,whichhaslowformingprecision;auxiliarysleeveandcone-roll

8、ermethodsarenotsuitablefor