王亚红[1]2002年在《基于最小功原理的成形过程模拟技术研究》文中进行了进一步梳理本文主要是在理想成形理论的基础上，对于刚塑性材料，采用板壳单元，用一步模拟算法，已知零件的最终形状，反算出其初始的毛坯形状(已知毛坯为平板)。考虑弯曲变形和材料厚向异性的影响，忽略变形历史的影响，依据金属塑性变形的全量理论和整体变形功最小这一理想成形理论，建立用于一步模拟法的有限元方程。 给出变形最小功的条件式，建立叁角形壳单元的单元位移场；给出刚塑性材料厚向异性本够关系；根据变形最小功路径的条件式，建立相应的有限元方程，用Newton-Raphson方法将其线性化，最后解线性方程组；给出了基于理想成型理论和有限元素法的成形过程分析公式。 用面向对象语言(C++)开发部分模拟软件，可更好地适应各种算法的要求，易于以后的维护。
傅立军[2]2010年在《板管成形的快速有限元模拟研究》文中提出板管成形在材料加工中占有相当大的比重,广泛应用于汽车、航空、航天、船舶、电机电器等领域,尤其是型材弯曲和管材胀形,顺应轻量化、降低能耗和成本的需要,在零部件生产中扮演着重要的角色。在这些成形过程的数值模拟研究中,增量分析和一步及多步模拟互补长短,相辅相成。增量法能反映加载历史、处理坯料与模具间的接触,可以比较全面的考虑板料成形中的各类影响因素,是可以对板管成形过程进行精确计算的方法,相对比较成熟。而一步和多步法则主要致力于对成形过程的快速模拟,可以在设计方案还比较模糊,没有工模具信息,或者是只有初步设计的时候,考察产品的成形质量,优化板坯,使用起来也非常容易。目前一步和多步法的研究主要是针对初始构形为平面的板料成形。本文的研究目标则是建立一个应用范围更广、可计算一般的板管成形、可考虑弯曲效应的一步和多步正反向快速模拟系统OMSTEP。本文的主要研究内容和成果如下:通常针对板料成形问题的一步和多步法在考虑弯曲效应时,将公式局限于初始构形为平面的一步反向计算,若将该公式应用于一般的板管成形过程,则会引入转动自由度,增加计算规模,并使一步和多步法的处理相对复杂。为此,本文引入BST壳单元描述变形。该单元没有转动自由度,膜变形的计算与传统一步法所使用的膜单元完全等价,曲率计算不限于初始构形是否为平面的条件,也不局限于反算,同时能够保持一步法公式的简洁性和计算效率。基于极值功原理,将全量本构关系应用于一步法,将由标量预测-回归映射方法得到的本构关系应用于多步法,推导建立了一种适用于一般板管成形的正反向快速模拟公式。现有的各类初始猜测值生成方法都是针对板料成形问题的,其中的几何方法难以通用,其中基于计算机图形学理论的参数化方法也要求预先完成边界节点的映射后才能使用。因此,本文首先借助边界调整法将板料的边界映射到平面上,保持板料边界的形状特征,再将其与参数化方法结合,实现通用的板料初始猜测值生成方法。为型材弯曲和管材胀形提供合适的初始解,则是个新的课题,本文提出了两种方法,一种是简单有效的几何方法,通过展开型材和管材的扫掠线来实现网格映射,效率比较高,但没有很好的通用性;另一种是将参数化方法由平面拓展到圆柱坐标系中,将工件节点映射到截面形状复杂的型材表面,或者半径尺寸任意的圆柱面上,这种方法高效、通用。此外,还给出了一种思路简单的中间构形初始解生成方法,该方法与参数化方法结合,可高效地得到较精确的中间构形初始猜测值。接触的处理是一步和多步法中的关键技术,对外力的施加、计算的收敛性和准确性有着重要的影响。但传统的滑动约束算法主要是针对板料的,无法适用于型材和管材。为此,本文提出了接触滑动约束算法。该算法通过接触搜索找到与工件节点最近的滑动约束面单元,通过罚函数法的方式引入法向刚度,由弹簧单元模拟所受到的工模具摩擦,保持节点只在滑动约束面(可以是截面形状封闭的复杂曲面)上运动,从而将滑动约束方法应用于型材和管材成形。此外,为了能够直观考察脱离接触面的缺陷,如起皱、截面的畸变等,本文对多步正向计算中的实际接触状态的模拟进行了一些尝试,引入LS-DYNA中的方法进行全局搜索,采用高效的内外侧算法进行局部搜索找到接触对,使用罚函数法计算实际的接触力,考察了规则化摩擦模型,并针对大穿透量问题,做了些设置,通过选取合适的参数使接触计算稳定。对板料成形过程进行了一步和多步正反向模拟计算,检验了OMSTEP系统求解板料成形问题的可行性。其中一步反算高效易用,多步模拟则可以获得更接近实际状况的结果。算例表明采用滑动约束计算更容易收敛,而采用罚函数法处理接触,可以观察到脱离接触面而产生的成形缺陷。将一步和多步正反向模拟推广应用于一般的管材和型材成形过程。进行了矩形管3点弯曲试验和复杂截面异型材的拉弯实验。通过矩形管弯曲试验模拟考察截面畸变问题,通过复杂截面异型材的拉弯实验模拟考察型材的壁厚变化和回弹情况。一步模拟所得到的截面畸变、壁厚变化结果与增量分析及实验结果非常接近。多步模拟由于中间构形的引入,计算结果较一步法有所改进,可以捕捉到更为细微的变化趋势,基于多步模拟结果的回弹计算也比基于一步模拟结果的回弹更接近实验结果。在对复杂截面异型材的模拟中,采用滑动约束,避免填充物与型材间的接触处理。在胀形计算中,实现了一步正反向计算的结合,通过反算为正算提供优化的管坯,而多步法也自然地与多工步的胀形过程相匹配。
董万鹏[3]2009年在《水轮机转轮叶片预成形设计与有限元分析》文中研究指明转轮叶片是水力发电机组中的核心部件,形状复杂,尺寸厚薄不均,制造难度大。从产品设计、工艺规划到生产试制等多个环节中都存在着技术瓶颈,传统的工艺设计方法具有盲目性和试验周期长等缺点。本文基于数值模拟的方法,系统研究了转轮叶片热模压成形过程,提出了新的设计思路和方法,完成了水轮机转轮叶片的预成形工艺设计,建立了成形过程的有限元分析模型与多目标优化模型,并将计算结果、优化结果与工厂试制结果进行了对比分析与验证。本文取得的主要研究成果如下:针对X型转轮叶片的参数化CAD模型,基于合模状态下的共同坐标,提出了新的水平基准的定位方式:以叶片工作面的进水边与下环交点为原点,出水边与上冠交点为X轴线点作为参考定位。针对热模压模具,建立了模具向冷却水传递热流的数学模型,求解了冷却水流速度。为使整个成形过程中的模具温度不低于300℃,冷却水流速应不低于970 mm/s。将基于理想变形理论的一步模拟法和基于相似原理的类等势场法相结合,提出了一种复合的预成形设计新方法。以一步模拟法反向计算外形轮廓尺寸,以类等势场法正向计算特征截面厚度分布,建立了不等厚度变截面的叶片展开坯料模型。中面模型展开计算采用可以表征弯曲作用的薄膜/板壳混合单元,摒弃了传统木模图中关于特征截面的展开计算方法,提高了叶片预成形设计的精度与效率。为确保实际生产中压力中心的波动始终处于设定的公差范围之内,提出了一种基于刚塑性有限元法,通过计算实时节点力获取不等厚度板坯模压成形过程中动态压力中心的新算法。在DEFORM 3D软件上二次开发实现了该算法,给出了用户坐标系下压力中心的变化规律,为压力中心的优化提供了必要的信息。基于金属材料热压缩试验结果,以分段函数的形式,建立了0Cr13Ni5Mo材料的高温流动应力模型。针对流动应力-应变曲线上升阶段和稳态阶段,分别采用了影响系数法和Arrhenius方程建立了应力关于变形温度、应变和应变速率的数学表达式。利用统计学的方法分析并验证了新材料模型的可靠性。考虑温度对磨损模型中参数的影响,采用修正的Archard模型,分析了0Cr13Ni5Mo材料热模压模具的磨损情况,发现模具磨损最严重处都位于模具同叶片出水边与下环相交的端部对应处。分析发现:成形温度对模具磨损的影响最为显着。为了降低成形抗力与能耗成本,建立了叶片热塑性加工多目标优化问题的数学模型,选取了变形温度、应变速率以及摩擦因子作为优化变量,构建了新的成形载荷子函数、能耗子函数、生产效率子函数。针对成形载荷子函数,设计了析因试验,采用回归分析等统计学方法,拟合其为包含交互效应的完全二次多项式。针对能耗子函数与生产效率子函数,通过分析其计算方法,将能耗函数、效率函数分别归纳为各自对应分量的和函数。利用线性加权和法,建立了评价函数,将多目标优化问题转化为单目标非线性规划问题。优化后的最大成形载荷为6.21 MN,小于设备额定载荷10 MN;成形能耗值由原设计的23 MJ降为18.63 MJ,降幅达19%;生产效率为39.67 min/件,较原工艺提高了17%。将工艺优化前、后的转轮叶片与初始设计原型在各测量点的厚度值进行了对比分析,工艺优化后的叶片厚度的相对误差由优化前的25%降至了15%,充分表明优化技术对现有工艺的改进作用。
赵孜萍[4]2003年在《基于反向模拟法的工艺优化技术研究》文中研究指明本文主要研究了理想成形理论及其在板料成形过程中的应用，并为板料多步成形过程的模拟提供了理论算法。 板料成形过程模拟一直是塑性成形领域研究的热点问题，对于确定板料毛坯形状、计算应力、应变分布、制订合理的成形工艺和模具设计有重要的意义。本文主要研究了理想成形理论及其在板料成形过程中的应用。基于理想成形理论，在一步法的工作基础上，建立了多步成形过程分析的有限元模型，提出了轴对称零件多步成形的模拟算法。本文采用最小功路线，即理想成形路线，应用理想成形理论，在产品构形给定的条件下，研究了多步反向模拟算法。 针对基于理想成形的板料零件，推导了以节点坐标或节点位移为未知量的线性叁角形薄膜单元的变形关系。使用牛顿—瑞费逊迭代法，可快捷地得到初始构形或当前构形上的节点坐标。在建立的多步成形有限元算法基础上，用面向对象的C++语言编写了部分多步法算法的程序。
穆瑞芳[5]2005年在《轴对称拉深件多步成形反向模拟技术研究》文中提出轴对称拉深件成形是金属板料成形中的典型方法之一,本文针对该成形过程提出了一种多步成形反向模拟方法,该方法可以对中间工步形状和毛坯形状进行优化,并且可以预测整个零件的应变分布,据此可以了解变形过程中的金属流动规律,在设计初期具有一定的指导作用。 本文以理想变形理论为基础,在平面应力假设下,使用二维膜单元和厚向异性的刚塑性材料模型分析了单元变形关系,得到了各成形工步中以初始构形上的节点坐标为基本未知量的有限元方程。通过求解上述有限元方程即可得到满足理想成形条件的节点坐标,达到优化的目的。 本文使用C++语言编制了反向模拟系统中工程分析模块的计算程序,通过数值实验验证了算法的可执行性和正确性。该算法简单易实现,计算效率高,具有较大的实用价值。
陈卫彬[6]2003年在《基于反向模拟法的拉深成形性分析技术研究》文中研究指明在金属板料成形中，板料毛坯和工艺的设计是至关重要的两个方面。为了更有效的分析并得到一个优化的板料毛坯形状，近年来，反向模拟法日益得到了广泛的重视。 本文基于形变理论，采用理想变形假设，分别使用叁角形膜单元和壳单元，分析了单元变形关系，得到了以初始构形上的节点坐标为基本未知量的有限元方程，并给出了用于反向成形模拟的刚塑性材料模型。通过求解上述有限元方程即可得到满足理想成形条件的节点坐标，这些节点坐标所形成的轮廓即为待求的毛料尺寸边界。 在UG中实现零件的造型，并基于UG／Open API技术，给出了一种切实可行的求解零件网格和毛坯初始网格的方法。经过反向模拟系统分析，将应变数据导入UG，并以云图的方式显示。从而实现了反向成形模拟系统与UG系统的集成。 本文对反向模拟系统的各模块功能及各模块之间的关系进行了分析讨论，并使用C++语言，开发了拉深件反向成形模拟系统的原型。选择了几个典型零件，对拉深件毛坯初始形状进行了优化，并就成形中拉深件厚向应变分布进行了分析，得到了满意的结果。
王春鸽[7]2018年在《大型直缝焊管叁辊连续矫直工艺研究》文中研究指明伴随全球范围内石油天然气开发向非常规油气资源的转移,偏远且日益恶劣的开发环境对管道建设提出了更高的要求。大型直缝埋弧焊(Longitudinally Submerged Arc Welding,LSAW)管以高质量的宽厚板为原料,辅以合理的成形工艺和焊接方法,特别适用于长途油气管运输以及在严寒地带或深海底辅设管道的要求。受成形设备、焊接热应力等因素的影响,矫直是大型直缝焊管生产中的一道必要工序。目前生产企业多采用“拉线定点、经验定力”的传统叁点弯曲模压矫直方法。由于缺乏理论指导,传统矫直工艺的矫直精度较低,矫直效率难以保证。因此,市场需求亟需焊管企业进行技术革新,提高产品质量及生产效率,进而提高中国制造的品质。针对传统工艺矫直精度高度依赖于操作者经验的问题,本文首先基于小曲率平面弯曲弹复方程,提出了对称截面平面曲梁纯弯曲过弯矫直理论,指出了过弯矫直工艺的实质是基于过弯矫直理论的理论矫直弯矩的加载过程或理论矫直曲率的实现过程,并据此分析了现有叁点多次模压矫直工艺和多点一次模压矫直工艺的矫直机理。针对模压矫直工艺均未实现理论矫直弯矩完整加载的问题,提出了大型直缝焊管叁辊连续矫直新工艺,并根据管件环形截面特征,给出了基于初始曲率分布的平面挠曲管矫直所需的理论矫直弯矩分布计算公式,为新工艺的矫直载荷计算提了供理论指导。基于叁辊连续矫直工艺特征及其装置特点,提出了基于激光位移传感器的挠度检测方法,并建立了基于局部挠度分布的整体挠度计算模型。对弯曲管件挠度在线检测和叁坐标测量仪测量的实验研究表明,新型挠度检测方法获得的整体挠度误差小于3.50%,满足工程应用,且特别适用于长度超过10m的大型平面弯曲轴管件直线度的在线检测和离线检验。为了准确计算挠曲工件的直线度,建立了有约束条件的的分段曲线拟合算法,并确定其中间曲线段拟合多项式的最优阶次为10阶。为了通过矫直辊的孔型设计限制矫直过程中的截面变形,提高理论矫直弯矩的预测精度,对薄壁管矫直过程中的截面畸变进行了研究,建立了曲梁弹塑性弯曲过程中的截面畸变预测模型,并对不同初始曲率大小和不同相对厚度的管件进行了四点弯曲工艺的数值模拟和物理实验,验证了预测模型的可靠性和适用性。依据截面畸变预测模型,确定矫直辊型宜遵循等径孔型设计原则,即矫直辊孔型应该等于或略大于待矫管件的外径。针对企业生产的直线度超标的大型直缝焊管实例,建立了四种曲率计算模型,分析了辊型和跨距的确定原则。并基于数值模拟技术,建立了压弯模型和辊压模型,通过矫后管件的直线度和截面椭圆度分析,验证了等径孔型辊型设计原则的可靠性,给出了跨距估计的经验公式,并确定了低阶简单拟合曲率计算模型和局部均化曲率计算模型的合理性。焊管实例的有限元分析表明,采用合理的工艺参数,矫后管件的直线度可以控制在1.5‰以内,截面椭圆度控制在0.5%以内,均满足标准要求。最后,建立了大型直缝焊管叁辊连续矫直实验系统,该系统包括机械系统、电液控制系统和检测装置叁部分,可以同时实现挠度检测和连续矫直两个功能。通过多规格挠曲管件的连续矫直工艺的数值模拟和物理实验研究,确定低阶简单拟合曲率计算模型为最优初始曲率计算模型,并将实验挠曲管件的直线度修正到1.50‰以内,证明了新工艺的可行性和可靠性。据此,进一步建立了基于初始曲率分布的整体挠度控制策略,并开发了矫直工艺分析软件,为实现新工艺的智能化控制奠定了基础。
参考文献：
[1]. 基于最小功原理的成形过程模拟技术研究[D]. 王亚红. 西北工业大学. 2002
[2]. 板管成形的快速有限元模拟研究[D]. 傅立军. 上海交通大学. 2010
[3]. 水轮机转轮叶片预成形设计与有限元分析[D]. 董万鹏. 上海交通大学. 2009
[4]. 基于反向模拟法的工艺优化技术研究[D]. 赵孜萍. 西北工业大学. 2003
[5]. 轴对称拉深件多步成形反向模拟技术研究[D]. 穆瑞芳. 西北工业大学. 2005
[6]. 基于反向模拟法的拉深成形性分析技术研究[D]. 陈卫彬. 西北工业大学. 2003
[7]. 大型直缝焊管叁辊连续矫直工艺研究[D]. 王春鸽. 燕山大学. 2018