支撑轴挤压模具有限元分析及组合凹模优化

摘要

近年来，随着机械工业的飞速发展与世界各国制造业竞争的加剧，精密塑性成形技术作为先进制造技术的重要组成部分，已成为当今塑性加工领域重点研究和发展的方向之一。以挤压工艺代替传统加工成形工艺，可以节省能源和原材料、提高生产效率和产品质量、降低成本的目的。支撑轴是汽车部件中极为重要的承力零件，在汽车工业领域中有着非常广泛的应用。由于支撑轴属于大型挤压件，其生产过程是在较高的温度下进行的。因此，挤压模具工作在高温、高压状态下，模具的影响因素多，寿命较短。针对目前我国工业发展的现状，开展支撑轴挤压模具的研究，具有极为重要的现实意义。 随着计算机硬件技术、有限元方法及计算机图形学等学科的迅猛发展，基于数值模拟的计算机辅助工程技术在金属塑性成形领域得到了广泛应用，实现了金属成形过程的计算机仿真。应用有限元模拟技术可以得到挤压模具的各种力学性能参数，是模具强度校核和优化设计的有力工具。本文将专用有限元分析软件DEFORM和通用有限元软件ANSYS有效地结合起来，对非均布载荷下的组合凹模的应力分析和优化设计提供了新的依据。 建立支撑轴镦挤成形过程的有限元模型，采用DEFORM对成形过程进行了数值模拟分析。对温度场的分析作了初步探讨，分析了不同凸模压下量时模具的应力分布规律，镦挤结束时模具的应力最大，工作状态最为恶劣。同时，提取镦挤结束时凹模内壁上的节点作用力，为后续组合凹模应力分析和优化设计提供载荷条件。 由于整体式凹模不能满足模具材料的强度要求，本文分别选取了不同预紧圈外径和过盈量对两种工作状态下的组合凹模进行了FEM分析。存在一个合适的过盈量和预紧圈外径，能使组合凹模的强度达到最优，为以后的优化设计提供了技术支持。非均匀温度下，温度应力使内层的凹模得到进一步加强，同时也削弱了外层预紧圈的强度，可以通过适当地减少过盈量来提高模具的承载能力。 建立组合凹模的数学模型，分别对两层和三层组合凹模进行了FEM优化，得出了最优的预紧圈外径和过盈量。对优化后工作状态下和非工作状态下组合凹模进行了应力分析，两层组合凹模的预紧圈壁厚达到251mm，不易掌握和提高模具的热处理质量，最终选取三层组合凹模方案为最佳的优化设计方案。 本文最后对研究成果进行总结和展望，并提出存在的问题和进一步研究的方向。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

第一章绪论

引言

1.1热挤压技术的概念

1.2热挤压的发展

1.3热挤压的工艺特点

1.4挤压模具强度的研究现状

1.5本课题研究的意义

1.6本课题研究的主要内容

1.6.1支撑轴镦挤过程的有限元模拟

1.6.2挤压组合凹模的有限元分析

1.6.3挤压组合凹模的有限元优化

第二章有限元法的基本理论

2.1有限元法的概念

2.2塑性成形中的有限元技术

2.2.1塑性有限元的发展

2.2.2刚塑性/刚粘塑性有限元基本方程

2.2.3刚塑性/粘塑性有限元变分原理

2.2.4刚塑性/刚粘塑性有限元求解过程

2.3有限元模拟系统分析

2.3.1有限元模拟系统的组成

2.3.2有限元模拟系统的发展过程

2.3.3常用有限元软件介绍

2.4本章小结

第三章支撑轴挤压过程的有限元模拟

引言

3.1 DEFORM软件介绍

3.2支撑轴挤压过程的有限元模拟

3.2.1建立模拟模型

3.2.2模拟分析中关键问题的处理

3.3有限元模拟结果分析

3.3.1工件应力分析

3.3.2凹模模具应力分析

3.3.3温度场分析

3.4本章小结

第四章挤压组合凹模的有限元分析

引言

4.1 ANSYS软件简介

4.2整体式凹模应力分析

4.2.1建立分析模型

4.2.2模拟结果分析

4.3非线性接触有限元的实现

4.3.1接触问题分类

4.3.2弹性接触问题基本方程

4.3.3经典Hertz弹性接触理论

4.3.4接触问题求解过程

4.3.5接触问题的有限元方程和解法

4.3.6 ANSYS接触算法

4.4两层镦挤组合凹模的分析模型

4.4.1建立组合凹模模型

4.4.2分析方案的选择

4.5模拟过程中的关键问题

4.5.1单元类型的选择

4.5.2单元材料的定义

4.5.3网格划分

4.5.4接触处理

4.5.5载荷和边界条件的施加

4.5.6求解设置

4.6均匀温度下组合凹模的应力分析

4.7非均匀温度下组合凹模的应力分析

4.7.1温度应力的概念

4.7.2热力耦合应力分析

4.7.3模拟结果分析

4.8本章小结

第五章挤压组合凹模的有限元优化

引言

5.1优化技术的概念和数学模型

5.2 ANSYS软件优化的过程和求解方法

5.3组合凹模的有限元优化

5.3.1两层组合凹模的优化分析

5.3.2三层组合凹模的优化分析

5.4本章小结

第六章结论和展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢