径—轴向辗环机轴向轧制机构结构分析及优化

摘要

径-轴向辗环机是通过对热态环件同时施加径向和轴向轧制力，使环件产生连续的局部塑性变形，从而扩大环件直径、减小环件壁厚、实现环件截面轮廓成形的塑性加工设备。径-轴向辗环机是一种结构复杂、自动化程度高、重型的超大数控设备，通常采用卧式机身结构，用于大型和特大型环件的轧制成形。
　　 本文以某型号径-轴向辗环机为研究对象，采用ANSYS软件对轴向轧制机构装配体进行了有限元分析，分析了轴向轧制机构的刚度以及各个部件的强度。对锥辊进行了温度场与热应力场的有限元分析，得到了锥辊温度场、热应力场。采用ANSYSWorkbench软件对轴向轧制机构的机架进行了结构优化。主要研究内容如下:
　　 第一，建立有限元模型时，需要对锥辊与环件之间接触面的形状进行研究，建立了接触面的方程并找出了影响接触面形状的因素。
　　 第二，通过接触面方程，利用SolidWorks软件对上锥辊、下锥辊、机架、滑块、压下油缸缸筒、压下油缸活塞杆、平衡缸缸筒、平衡缸活塞杆8个件进行了三维建模，并进行了装配，得到了径-轴向辗环机轴向轧制机构的整合装配体。
　　 第三，将SolidWorks建立的模型导入ANSYS，利用Solid92单元对模型进行了网格划分，建立了21个接触对。详细分析了轴向轧制机构的受力情况，计算出了轴向轧制机构压下油缸和平衡缸的油缸推力，进而对模型施加了约束和载荷。定义了变形角，提出了求解变形角的方法。通过对整个轴向轧制机构装配体的有限元分析，获得了装配体以及各个零部件的等效应力、等效应变和位移的云图。分析结果表明，轴向轧制机的变形角为0.041°，各部件最大等效应力均小于屈服极限，轴向轧制机构刚度符合设计要求，各部件满足强度要求。
　　 第四，利用ANSYS提供的APDL语言对锥辊施加转动的温度载荷，让温度载荷围绕锥辊锥面转动105圈。通过对锥辊温度场与热应力场的有限元分析，获得了锥辊温度场、热应力场。分析结果表明，锥辊温度最终会达到稳态，最高温度达到367℃趋于平稳，最大热应力发生在锥辊与轴承接触的位置上，最大热应力远小于屈服极限，在环件高温影响下锥辊满足强度要求。
　　 第五，利用Workbench软件对轴向轧制系统机架进行了拓扑优化，使机架的重量减轻了11.8％。利用优化的结果，对机架重新进行了建模。用优化后的模型重新进行了有限元分析，结果表明优化后的机架刚度与强度仍然满足使用要求。
　　 综上所述，本文对径-轴向辗环机轴向轧制机构进行了刚度强度分析、实行了优化，这对辗环机的设计具有指导意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 径-轴向辗环机

1．1．1 径-轴向辗环机工作原理

1．1．2 轴向轧制机构

1．2 国内外研究现状

1．2．1 辗环机国内外研究现状

1．2．2 其它热锻设备研究现状

1．2．3 热力耦合分析研究现状

1．3 存在的问题

1．4 课题的来源、目的和意义

1．4．1 课题的来源

1．4．2 课题研究的目的及意义

1．5 主要研究内容

第二章 环件与锥辊接触面方程及影响因素

2．1 引言

2．2 环件与锥辊接触面

2．2．1 接触面形状

2．2．2 锥面方程求解方法

2．2．3 求解接触面方程

2．3 接触面影响因素

2．4 本章小结

第三章 轴向轧制机构装配体有限元分析

3．1 引言

3．2 非线性接触有限元理论基础

3．2．1 非线性接触有限元

3．2．2 面-面非线性接触有限元

3．3 几何建模

3．4 有限元分析模型

3．4．1 材料参数

3．4．2 网格划分

3．4．3 接触处理

3．4．4 约束处理

3．4．5 载荷处理

3．5 轴向轧制机构角变形

3．5．1 变形角定义

3．5．2 变形角的计算方法

3．6 计算结果及分析

3．6．1 轴向轧制机构装配体计算结果分析

3．6．2 上、下锥辊计算结果分析

3．6．3 机架计算结果分析

3．6．4 滑块计算结果分析

3．7 本章小结

第四章 锥辊温度场与热应力场有限元分析

4．1 引言

4．2 温度场与热应力场有限元理论基础

4．2．1 温度场与热应力场分析

4．2．2 温度场分析单元

4．2．3 边界条件和初始条件

4．3 锥辊温度场有限元分析

4．3．1 几何建模

4．3．2 有限元建模

4．3．3 载荷处理

4．3．4 计算结果分析

4．4 锥辊热应力场有限元分析

4．4．1 转换单元类型

4．4．2 增加材料参数

4．4．3 约束处理

4．4．4 载荷处理

4．4．5 计算结果分析

4．5 本章小结

第五章 轴向轧制机架结构优化

5．1 引言

5．2 拓扑优化

5．3 机架结构优化

5．3．1 几何建模

5．3．2 材料参数及网格划分

5．3．3 约束处理

5．3．4 载荷处理

5．3．5 拓扑优化结果

5．4 机架结构改进与有限元分析

5．4．1 机架结构改进

5．4．2 机架改进后有限元分析

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

附录