TRB板仿形轧制机构动力学分析及其轻量化

摘要

国内外对连续变截面差厚板（英文名称:Tailor Rolling Blanks，简称:TRB板）的生产方法研究已经做了很多的工作，也取得了很多重要的理论基础，然而对于差厚板的仿形轧制却没有相关的探讨与研究。差厚板的仿形轧制属于一个全新的概念，它的轧制过程与传统的四辊轧机的轧制过程有着显著的区别。由于它们在轧制上的原理不相同，尽管目前对TRB板的轧制成形相关研究已经很成熟，但其研究成果却不能运用在仿形轧制过程中。因此，本文对差厚板仿形轧制过程的研究是具有开创性与启发性的。
　　仿形轧制装置可以生产任意连续变化过渡曲线差厚板的这一特性，使它能够最大限度的满足市场对TRB各种形状的要求。但是随着生产的连续差厚板尺寸越来越大，相应的仿形轧制装置也在逐渐增大自身尺寸。从而装置的材料使用量也逐步增大，造成设备过于笨重，继而影响轧制精度和生产成本。对仿形轧制装置的轻量化优化研究有助于该装置尽早投产，突破国外的技术壁垒，提升差厚板的生产效率，降低生产成本。
　　首先，对仿形轧制的轧制过程进行了有限元模拟分析，对仿形轧制过程的不同阶段进行了划分，确立了仿形轧制五阶段理论。模拟分析了不同因素对仿形轧制过程中轧制力与轧制时间的影响，模拟表明:最大压下量对最大轧制力影响最大且呈正相关、对轧制时间有一定的影响同呈正相关;仿形轧制速度对轧制时间影响最大且呈负相关、对最大轧制力影响较小同呈负相关;摩擦系数对最大轧制力影响微弱呈正相关，对轧制时间无影响。需指出的是:摩擦系数为0时，仿形轧制依然能够正常进行，这有别于传统的轧制过程必须要具备一定的摩擦力使轧辊咬入轧件才能进行轧制。
　　然后，对上模板进行了静力结构分析，讨论了上模板在轻量化优化之前的应力应变响应情况，为上模板的尺寸优化与拓扑优化轻量化做了准备工作。对上模板进行了尺寸优化轻量化，在响应面模型的基础上，通过多目标优化算法，找出了最优的尺寸搭配方案。重新设计的上模板在满足强度刚度要求的情况下，质量减少了66.7％。
　　最后，在尺寸优化的基础上对上模板进行拓扑优化轻量化设计，再对拓扑优化后的上模板进行静力学分析以便验证其力学性能是否满足设计标准要求。对比拓扑优化前后上模板各项性能指标得出:上模板在拓扑优化后刚度强度满足设计要求，同时自重减轻了18.2％。经过尺寸优化与拓扑优化轻量化设计，上模板自重累计减少了73.6％，通过静力学分析验证，将两种优化方式施加在同一个优化对象上可以最大限度的减少质量，同时大幅度减少生产成本，经济效益非常可观。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 概述

1．2 差厚板轧制的研究现状

1．3 TRB板仿形轧制研究的意义

1．4 数值模拟在机械领域中的应用

1．5 课题研究内容

1．6 本章小结

第二章 仿形轧制原理及理论

2．1 TRB板轧机工作原理

2．1．1 TRB板连续轧制

2．1．2 TRB板仿形轧制原理

2．2 金属塑性成形——塑性方程

2．2．1 发生塑性成形条件

2．2．2 塑性方程式

2．3 TRB板仿形轧制过程基本参数

2．3．1 TRB板仿形轧制过程变形区及其参数

2．3．2 TRB板仿形轧制过程变形系数

2．4 仿形轧制时金属的应力状态

2．5 本章小结

第三章 仿形轧制仿真及其轻量化理论

3．1 有限单元法及其在仿形轧制中的应用

3．1．1 有限单元法的基本原理

3．1．2 仿形轧制有限单元法分析步骤

3．2 仿形轧制动力学分析理论

3．2．1 动力学分析方法的选取

3．2．2 显式动力学理论

3．3 基于ANSYS／LS-DYNA的仿形轧制模拟

3．3．2 基于ANSYS／LS-DYNA的仿形轧制分析流程

3．3．3 仿形轧制中的接触

3．4 仿形轧制机构轻量化理论

3．4．1 线性静态结构分析

3．4．2 轻量化尺寸优化分析理论

3．4．3 轻量化拓扑优化理论

3．5 仿形轧制机构基于ANSYS Workbench的轻量化分析

3．5．1 ANSYS Workbench的选用

3．5．2 基于ANSYS Workbench的线性静态结构分析

3．5．3 基于ANSYS Workbench的轻量化优化设计

3．6 本章小结

第四章 仿形轧制装置轧制过程的有限元分析

4．1 仿形轧制过程有限元模型的建立

4．2 模型网格划分、加载及求解

4．3 仿形轧制过程的分析

4．4 仿形轧制中各因素对轧制力与轧制时间的影响

4．4．1 最大压下量对轧制力与轧制时间的影响

4．4．2 仿形轧制速度对轧制力与时间的影响

4．4．3 摩擦系数对轧制力与时间的影响

4．5 本章小结

第五章 仿形轧制装置轻量化设计

5．1 上模板的静力分析

5．1．1 有限元模型的建立

5．1．2 模型网格划分、加载及求解

5．1．3 静力学分析结果

5．2 上模板尺寸优化轻量化设计

5．2．1 优化变量叙述

5．2．2 响应面构建及分析

5．2．3 优化变量灵敏度分析

5．2．4 目标驱动优化

5．2．5 尺寸优化前后对

5．3 上模板拓扑优化轻量化设计

5．3．1 上模板拓扑优化

5．3．2 上模板模型重构及静力学分析

5．3．3 拓扑优化前后对比

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论著及取得的科研成果