大型复杂薄壁壳体多道次旋压成形机理及规律的三维有限元分析

摘要

大型复杂薄壁壳体是广泛应用于航空航天、兵器等领域的一类重要的空心回转体零件。由于受到材料成形极限等因素的限制，成形此类回转体零件往往需要采用多道次旋压工艺。了解和掌握大型复杂薄壁壳体多道次旋压成形机理及规律是研究和发展该技术迫切需要解决的关键问题。为此，本文基于ABAQUS弹塑性显式和隐式有限元平台Explicit & Standard，研究建立了该成形过程的三维有限元模型，并分析了其成形机理及工艺参数对成形过程的影响规律。主要研究内容和结果如下： 建立了包含回弹和退火工序的符合实际并兼顾计算精度和效率的大型复杂薄壁壳体多道次旋压的三维弹塑性有限元模型，解决了其中涉及到的关键问题，并验证了模型可靠性。该模型的建立，为深入揭示大型薄壁壳体多道次旋压成形机理及工艺参数对其成形过程的影响规律奠定了基础。 基于上述模型，研究获得了大型复杂薄壁壳体多道次旋压成形过程中的应力应变及壁厚的分布和变化特征：随着成形过程的进行，多道次旋压成形过程中应力应变极值呈现增大趋势；并且应力应变最大值出现在旋轮与坯料接触处(即成形区)。沿工件母线方向，壁厚逐渐减小，在旋轮与毛坯接触处壁厚剧烈减薄。回弹对应变和壁厚的分布影响不大，但是对应力分布有较大影响。 进而研究揭示了旋轮安装角、摩擦系数、旋轮进给比对大型复杂薄壁壳体旋压成形过程中第一道次旋压的应力应变、壁厚和直径差的影响规律。结果表明：旋轮安装角对应变和壁厚影响不大，对工件直径差影响较大；随着摩擦系数的增大，工件壁厚的均匀性明显改善，但是直径差越来越大；当旋轮进给比较大时，壁厚分布不均匀。 最后研究揭示了摩擦系数和旋轮进给比对大型复杂薄壁壳体第二、三道次旋压的应力应变、壁厚和直径差的影响规律。结果表明：随着摩擦系数的增大，壁厚极大值变化不大，壁厚极小值先增大后减小，壁厚差极大值先减小后增大；直径差先增大后减小。随着旋轮进给比的增大，壁厚差极大值逐渐减小；直径差先增大后减小。这些结果可为相关工艺参数的确定和优化设计提供理论依据。

目录

文摘

英文文摘

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本文的主要创新点与贡献

第1章绪论

1.1引言

1.2旋压工艺特点及分类

1.2.1普通旋压

1.2.2强力旋压

1.3旋压成形研究方法

1.4旋压技术研究现状

1.5本文选题的背景和意义

1.6本文研究的主要内容

第2章大型复杂薄壁壳体多道次旋压成形及三维有限元模拟理论基础

2.1引言

2.2强力旋压基础理论

2.2.1旋压工艺方式的选择

2.2.2旋压道次规范和旋轮运动轨迹

2.2.3旋压的工艺参数

2.3弹塑性有限元法基础

2.3.1材料非线性本构关系

2.3.2弹塑性加载卸载的处理方法

2.3.3弹塑性有限元求解列式

2.4动态显式算法基础

2.4.1动态显式分析方法

2.4.2隐式分析方法

2.4.3显式算法优越性及其适用范围

2.4.4隐式算法优越性及其适用范围

2.4.5显式方法的条件稳定性

2.5本章小结

第3章大型复杂薄壁壳体多道次旋压成形三维有限元模型的建立

3.1引言

3.2 ABAQUS软件平台简介

3.3研究对象及方案分析

3.4大型复杂薄壁壳体多道次旋压三维有限元模型的建立

3.4.1求解器的选择

3.4.2大型复杂薄壁壳体多道次有限元模型的建立

3.4.3模型的特点

3.4.4模型可靠性的验证

3.5本章小结

第4章大型复杂薄壁壳体多道次旋压成形过程分析

4.1引言

4.2典型模拟结果分析

4.2.1成形条件

4.2.2第一道次应力应变及壁厚分布

4.2.3回弹后的应力应变及壁厚分布

4.2.4第二道次旋压成形过程中应力应变及壁厚分布

4.2.5第三道次旋压成形过程中应力应变及壁厚分布

4.3本章小结

第5章工艺参数对大型复杂薄壁壳体多道次旋压成形过程的影响

5.1引言

5.2分析方案的确定和模拟条件

5.3工艺参数对第一道次旋压成形过程的影响

5.3.1旋轮安装角对第一道次旋压成形过程的影响

5.3.2摩擦系数对第一道次旋压成形过程的影响

5.3.3旋轮进给比对第一道次旋压成形过程的影响

5.4工艺参数对第二、三道次旋压成形过程的影响

5.4.1摩擦系数对第二、三道次旋压成形过程的影响

5.4.2旋轮进给比对第二、三道次旋压成形过程的影响

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢