挤压筒内孔变形分析及结构优化研究

摘要

大型宽幅壁板(简称壁板)具有良好的比强度和可靠性等特点而被广泛应用于工业和生活。挤压工艺与模具的优化设计直接影响壁板的生产质量和经济成本，由于壁板具有壁薄、外形尺寸大、断面宽厚比大、形状复杂及精度高等特点，对挤压工艺和模具提出了很高的要求。研究表明，在比压很高的情况下，采用扁挤压筒挤压大宽厚比的宽幅壁板的效果比较好。本文以组合挤压筒为研究对象，采用解析法和数值模拟对组合挤压筒，进行多种工况下的应力应变分析计算，在此基础上对扁挤压筒进行了结构优化，这对于提高大型挤压模具的设计水平和挤压筒的寿命以及壁板的生产质量都具有极其重要的意义。本论文主要进行了以下工作：
　　 ①针对采用应力叠加法对组合挤压筒进行力学分析时，公式复杂且计算繁冗的问题。本文基于厚壁圆筒理论，采用位移协调法推导出了组合式挤压筒过盈装配后层套间接触应力的计算表达式，其计算过程简洁方便，尤其适用于多层筒的分析。
　　 ②采用大型有限元分析软件对挤压筒在预紧、预紧-内压、热-预紧-内压工况下进行了分析计算，结果表明：扁挤压筒内孔存在严重的应力集中，并且在热-预紧-内压状态下扁挤压筒的应力峰值有所减小。有限元法与位移协调法计算结果相吻合。
　　 ③探讨了不同的过盈量和不同的内孔形状对组合式扁挤压筒应力分布的影响，得到挤压筒应力值减小时对应的最佳过盈量范围。与其他的内孔形状相比，直线与椭圆弧相接时的最大应力值最小。
　　 ④结合面向对象的C＃语言、大型有限元软件、参数化语言和MATLAB优化工具，建立扁挤压筒的结构模型，以应力值最小为目标函数，对直线圆弧型和直线椭圆型两种孔型进行结构优化，确定出了最佳的过渡形线参数。
　　 本论文所采用的分析方法及研究结果，对优化扁挤压筒的孔型参数、改善扁挤压筒内孔应力状况、提高扁挤压筒的使用寿命有一定的理论指导意义。