開題報告-槽鋼輥彎成型過程的計算機仿真

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學 院畢業(yè)設計開題報告學 生 姓 名：學 號：學 院 、 系 ：專 業(yè) ： 機械設計制造及其自動化設 計 題 目 ： 槽鋼輥彎成型過程的計算機仿真指 導 教 師 :年 3 月 15 日開題報告填寫要求1．開題報告作為畢業(yè)設計答辯委員會對學生答辯資格審查的依據材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計工作前期內完成，經指導教師簽署意見及所在系審查后生效；2．開題報告內容必須用按教務處統一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應及時交給指導教師簽署意見；3．學生寫文獻綜述的參考文獻應不少于 15 篇（不包括辭典、手冊） 。文中應用參考文獻處應標出文獻序號，文后“參考文獻”的書寫，應按照國標 GB 7714—87《文后參考文獻著錄規(guī)則 》的要求書寫，不能有隨意性；4．學生的“學號”要寫全號（如 02011401X02） ，不能只寫最后 2 位或 1 位數字；5. 有關年月日等日期的填寫，應當按照國標 GB/T 7408—94《數據元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯數字書寫。如“2004 年 3 月 15 日”或“2004-03-15”；6. 指導教師意見和所在系意見用黑墨水筆工整書寫，不得隨便涂改或潦草書寫。畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告1．結合畢業(yè)設計情況，根據所查閱的文獻資料，撰寫 2000 字左右的文獻綜述：文 獻 綜 述1.1 本課題的研究目的及意義 冷彎型鋼是一種經濟斷面型材。由于其本身具有斷面均勻、產品質量高、能源消耗低和經濟效益高等特點，故被廣泛應用于汽車、航空、建筑等行業(yè)。隨著科學技術的發(fā)展，各生產廠家己廣泛采用整體型材加工技術，從而取代經過焊接等加工成型的材料，這就要求各競爭者不斷地改進技術、提高質量、降低成本，滿足廣大用戶的要求。盡管冷彎成型產品的生產和應用己有百余年的歷史，產量和工藝都達到了一定的水平，但是由于其本身所具有的特點和規(guī)律尚未完全被人們掌握和認識。其仍然被稱為是一門“未掌握的藝術” 。隨著市場對高品質、多品種輥彎產品需求的不斷提高，過去那種試制時間長、精度差的傳統設計和加工方式己經遠遠不能滿足用戶的要求。同時隨著計算機性能的不斷提高，采用計算機對冷彎型鋼進行孔型輔助設計(CAD)及過程分析((CAE)技術己經成為一種趨勢。冷彎成型過程屬于三維彈塑性大變形問題，在成型過程中，它不僅是縱向彈性拉壓和橫向彈塑性彎曲等變形的綜合；同時由于受到外部邊界摩擦、孔型幾何約束、材料本身的加工硬化，材料橫截面壁厚不均分布等影響，均能使變形形態(tài)發(fā)生改變，引起帶鋼橫向扭曲與縱向拉伸和壓縮。因此，輥彎成型過程是十分困難的，單純用一個數學模型難以描述，人工智能和專家系統是解決這一問題的方向。但是到目前為比，國內所研制的 CAD 軟件幾乎都完全依賴經驗公式和參數，缺乏理論依據。設計人員不經過實踐，無法初步判斷金屬變形是否合理，輥型設計是否合理。因此輥彎成型的計算機模擬在輥彎成形 CAD 中將有著特別重要的意義。通過輥彎成型模擬可以對 CAD 系統提供板材變形預報和驗證模型，從而在縮短產品設計周期與節(jié)約設計成本方面都具有積極的現實意義 [1]。 1.2 本課題的國內外現狀隨著研究的不斷深入，輥彎成型理論有了很大的進展，有很多算法被用來求解輥彎成型問題，目前輥彎成型的分析方法大致可分為二種析法，簡化分析法、有限條法和有限兀分析法 [2]。東京大學木內學教授提出利用含參數的形狀函數近似地描述帶材在成型時空間軌跡和變形曲面，求解應變應力 [3]。并對焊管輥型、成型過程生產線、軋機架數、機架間距等一系列影響因素進行系統的分析，同時又擴展到寬幅斷面型鋼、C 型鋼、V 型鋼輥彎成型以及直縫焊管殘余應力的研究。木內學教授所采用的研究方法是目前較完善的方法之一，但是由十整個變形曲面決定十一個待定參數，造成所構造的曲面與真實曲面之間誤差，從 Ifn 限制應變應力分析精度?？诒旧嚼娲髮W小野田義富等對直縫焊管、方矩形焊管、寬幅外卷邊帽型鋼輥彎成型采用剛塑性有限兀法模擬研究，但不能分析帶材成型時的彈復問題。美國 Roll-Kraft 公司的 Robert J.Harstain、英國 Aston 大學的 Milne；以及加拿大 W aterlo。大學的 Terry R.Walker 和 IIRoy J.Pick 利用有限兀方法使用商業(yè)化軟件分別分析焊管、簡單斷面型材和復雜形狀寬幅型鋼的成型過程 [4-9]。美國 Taylan Altan 等基十有限變形力學，預測了簡單斷面型鋼的變形幾何形狀和應變分布 [10][11]。新西蘭S.M.Pantan 研究了輥彎成型過程的縱向和剪切應變，認為輥彎成型包括縱向拉伸、縱向彎曲、橫向彎曲和剪切，指出剪切應變比其余類型應變大許多 [12]。法國 G.NEFUSSL等在工作站上模擬剛塑性材料和彈塑性材料輥彎成型過程，采用 Prandtl-Reuss 流動理論和 VonMises 屈服準則，通過塑性功率最小化，給出優(yōu)化的構形、金屬變形區(qū)長度以及優(yōu)化的速度場 [13]。新加坡 R.S.Senanayake 利用有限兀分析和計算機可視化技術計算輥彎成型過程的塑性應變，與實驗結果吻合較好。法國 M.Brunet 采用有限兀方法模擬槽鋼成型過程，分析材料的整個變形歷史，獲得了優(yōu)化設計的軋輥形狀 [14-17]。在我國，蔡松慶首次采用有限兀法研究復雜的焊管成型過程;張必強和張全根曾以材料力學方法研究焊管成型問題;以燕山大學劉才教授為首的課題組，對輥彎成型過程分別使用樣條有限條法和彈塑性大變形二維有限兀法進行深入系統的理論和實驗研究，取得許多重要的研究成果 [18][19-21]。綜合來看，國內外研究人員對輥彎成型過程的研究熱點集中在有限兀分析方面。對仿真結果分析以及如何指導實際生產方面做的較少，本課題則是通過對普通槽鋼輥彎成形工藝進行全流程的參數化建模和對模型的分析來仿真實際加工過程，通過采用有限兀技術進行全流程數值仿真，分析應力、應變等情況，選擇一組滿足整個輥彎成型過程要求的參數群，實現在線調試的虛擬化，并通過配置不同參數來對模型進行分析，結合實際生產驗證最終指導復雜截面件輥彎成型的規(guī)律。1.2.1國內外的比較(1) 冷彎成型基礎理論研究不夠。冷彎CARD 是理論、經驗、數值算法、計算機技術的有效結合,而目前國內編制的冷彎CARD軟件在算法上幾乎完全依賴經驗公式和參數,缺乏理論依據。大多數冷彎CARD 僅僅是經驗公式計算機化的工作。其設計結果可靠性降低,一般只有在加工出軋輥進行試軋后,才能確定設計成功與否。而國外的大型冷彎CARD 軟件,一般有變形預報模型和變形驗證模型,可以在設計階段對設計結果進行檢驗及修改。(2) 缺少冷彎實驗研究。冷彎實驗包括真實成型實驗和現場實驗,如果這兩方面工作較完善,即可促進冷彎理論研究的發(fā)展,同時可積累實踐經驗,給冷彎CARD 系統提供設計模型和檢驗模型。目前仍感到知識庫中專家知識的缺乏,這在很大程度上是由于實驗研究不足; 在國外,一個大型冷彎CARD系統的誕生,其前期工作是大量的實驗和理論工作,在這樣的基礎上,才能設計出可靠性高的軟件。(3) 冷彎 CARD 軟件商品化程度不高。國外冷彎 CARD 軟件普遍利用工作站的強大功能來實現軟件的商品化,而目前高檔微機的功能已接近工作站,在微機上實現冷彎的CARD 軟件的商品化已成為可能,只有達到這一步,軟件在國際市場才有競爭力。當然,這需要多專業(yè)的人合作才能完成。彌補上述不足之處,將其作為今后工作的重點和動力,才能使國內冷彎 CARD 技術趕上國外先進水平。但是,這是一個巨大的工程研究項目,只有多專業(yè),多部門長期合作才能實現這一目標,國外大型冷彎 CARD 系統的發(fā)展也證明了這一點。1.3本課題的研究思路1、搜集資料，了解并掌握輥彎成型過程理論；2、搜集國內外有關輥彎成型過程模擬的資料，并進行綜合分析，撰寫一篇有關輥彎成型過程發(fā)展與所采用手段的小論文；3、學習 ANSYS 軟件；4、利用有限元知識對槽鋼輥彎成型過程進行建模；5、分析槽鋼輥彎成型的位移場，等效應變場，等效應力場，揭示了金屬的三維流動情況，同時分析各道次中面的縱向應力應變和橫向應力應變的分布；7、撰寫論文一份；8、外文資料翻譯參考文獻：【1 】周宏宇.槽鋼輥彎成型的數值模擬及工藝參數研究.碩士學位論文.北京：中國科學院, 2004【2】李大永，羅應兵，張少睿，彭穎紅，工臼:J 一輥彎成型數值研究綜述及全流程仿真關鍵問題.機械科學與技術.2004. 12. 1466-1469【3】木內學，新谷賢，戶澤正孝。異形管?？?W 成型巨圃寸九實驗的研究(第九報)成形荷重 t}圃寸九綜合的檢討(1)一《生產研究》1979, 1 (13): 444-447【4】Nitin, Duggal, Taylan A. ltan. 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Pol. computer Aided Design of Roll-Forming of ChannelSections.J. Mater. Process. Tech, 1996, 60: 209-214【17】K.Damn, Determination of Longitudinal Strains in Roll-Forming of Standard Sections ina Multi-stand Machine, Dissertation Institute foe reduction Technology; University ofDarmstadt,Germangy,1989:26-49【18】韓志武，劉才，路衛(wèi)平.輥彎成型的工藝理論及 CAE 技術研究進展與展望.鋼鐵，1999, 34 (7):70-72【19】韓志武，冷彎型鋼縱向變形的理論分析及計算.鋼鐵研究學報.1997. 9 (2) :18-21.劉才，陸衛(wèi)平等.工藝參數對簡單斷面型鋼輥彎成型過程的影響.金屬學報，2002, 38 (3):331-333【20】韓志武，劉才.冷彎成型數值模擬與孔型 CAD 集成.鋼鐵，2001, 36 (7) : 30-33【21】韓志武，劉才.外卷邊槽鋼輥彎成型過程數值模擬.應用數學和力學，2002, 23 (3):292-298畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：2.1 本課題研究的主要內容2.1.1 輥彎成型理論輥彎成型的成型機理比較復雜, 現在的理論研究還不是很成熟, 其中最常用的研究方法是簡化析法。簡化解析法中將橫向彎曲變形和縱向彎曲變形分別進行分析, 其中橫向彎曲變形采用彈塑性理論和純彎曲理論進行分析, 而縱向變形將帶材視為彈塑性薄殼進行分析。新西蘭的Bhattacharyy a, 研究了使用單輥和多輥情況下的縱向應變, 而且研究了不同的彎曲角度和彎曲角度增量下應變的變化。認為峰值應變的大小取決于彎曲角的增量, 而不是軋制過程中軋輥的角度。日本的小奈弘提出槽鋼邊部成型的水平投影軌跡為三次多項式, 即y= A x 3+Bx2+ Cx+ D, 并根據邊界條件求出各個待定系數。 K? Nakajima提出一種縱向應變計算模型, 是基于坯料的橫截面形狀為單半徑的圓弧平面, 且始終垂直于Z 軸假設下得出的模型, 其縱向應變具體形式為axial = dx 2 + dy2 + dz 2 - dz / dz2.1.2 輥彎成型具體內容本課題以槽鋼輥彎為研究目標，以經驗和試錯法為基本理論依據，通過理分析以數值計算相結合的方式，研究槽鋼輥彎的特點及有限元的技術要求；基于、位移場，等效應變場，等效應力場基本理論進行設計,運用有限元法進行數值計算，借助 ansys軟件進行仿真優(yōu)化。具體內容如下：1、搜集資料，了解并掌握輥彎成型過程理論；2、搜集國內外有關輥彎成型過程模擬的資料，并進行綜合分析，撰寫一篇有關輥彎成型過程發(fā)展與所采用手段的小論文；3、學習 ANSYS 軟件；4、利用有限元知識對槽鋼輥彎成型過程進行建模；5、分析槽鋼輥彎成型的位移場，等效應變場，等效應力場，揭示了金屬的三維流動情況，同時分析各道次中面的縱向應力應變和橫向應力應變的分布；7、撰寫論文一份；8、外文資料翻譯。2.2 本課題需解決的問題 （1）了解輥彎成型過程理論、了解國內外研究方法， （2）學習并掌握 ansys 軟件的應用，（3）學習輥彎成型過程的建模, （4）系統模擬槽鋼輥彎成型過程中的位移場，應力場，應變場。（5）研究槽鋼成型時不同道次的應力，應變的分布情況。2.3 本課題研究的方向了解并掌握輥彎成型過程的理論知識，學習并熟練運用 ANSYS 軟件，利用有限元理論對槽鋼輥彎成型過程進行有限元建模，對槽鋼輥彎成型過程中的應力場、應變場和位移場和各道次橫向應力、應變和縱向應力、應變進行模擬；分析以冷彎槽型鋼成型的位移場，等效應變場，等效應力場，揭示了金屬的三維流動情況，同時分析各道次中面的縱向應力應變和橫向應力應變的分布。2.4 本課題擬采用的研究手段本課題研究的目的在于深入研究有限元方法和輥彎成型技術以及先進高強度鋼特性， 建立合理的輥彎成型有限元仿真模型并將其應用于生產實踐。目前，型鋼的成型理論還尚不完善，盡管在這方面研究己經有比較長的時間，但是其進展仍然比較緩慢，還不能很好地解決實際生產和設計中遇到的一些問題。以往所做的大量工作，大多是建立在解析和試驗基礎上的，很難預測復雜塑性變形的金屬塑性機理，特別是沒有全面考慮影響金屬三維流動的復雜因素。因此，研究輥彎成型力學性能，尋找各工藝參數在成型過程中對型材變形的影響，及掌握金屬流動的變化規(guī)律，不僅能加深對輥彎成型理論研究，而且還能對實際生產與設計提供指導作用。為了更好地分析冷彎型鋼在成型過程中金屬的三維變形，本文采用了 Updated-Lagrangian 增量法(簡稱 U. L.法)有限元理論，同時考慮了成型過程中的材料與幾何雙重非線性，對型鋼成型過程中進行了三維彈塑性有限元模擬。本文將在以下幾個方面開展系統的研究工作:(1)建立冷彎型鋼模型。(2)系統模擬成型過程中的位移場、應力場、應變場。(3)研究型鋼成型時不同道次的橫向應力、應變和縱向應力、應變分布的狀況。(4)針對各成型參數對成型過程的影響及各道次中應力、應變的分布狀況，研究各因素對成型過程的影響，探索成型過程中的一般規(guī)律，為生產、設計提供參考。2.5 本課題所需的相關軟件ANSYS 軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國 ANSYS 開發(fā)，它能與多數 CAD 軟件接口，實現數據的共享和交換，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD 等， 是現代產品設計中的高級 CAE 工具之一。2.6本課題計劃進度2013 年 02 月 23 日--2013 年 03 月 15 日 收集材料，復習相關專業(yè)知識，翻譯科技英文知識。2013 年 03 月 16 日--2013 年 04 月 06 日 學習有限元理論和學習 ansys 軟件。2013 年 04 月 07 日--2013 年 05 月 07 日完成槽鋼輥彎成型建模。2013 年 05 月 08 日--2013 年 05 月 30 日 分析結果，編寫設計說明書。2013 年 06 月 01 日--2013 年 06 月 10 日 準備畢業(yè)答辯。畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告指導教師意見：指導教師： 年 月 日所在系審查意見：系主任： 年 月 日附件：參考文獻格式學術期刊 作者﹒論文題目﹒期刊名稱，出版年份，卷(期)：頁次如果作者的人數多于 3 人，則寫前三位作者的名字后面加“等” ，作者之間以逗號隔開。例如：[1] 李峰，胡征，景蘇等. 納米粒子的控制生長和自組裝研究進展. 無機化學學報， 2001, 17(3): 315~324[2] J.Y.Li, X.L.Chen,H.Li. Fabrication of zinc oxide nanorods. Journal of Crystal Growth, 2001,233:5～7學術會議論文集 作者﹒論文題目﹒文集編者姓名﹒學術會議文集名稱，出版地：出版者，出版年份：頁次例如：[3] 司宗國，謝去病，王群﹒重子湮沒快度關聯的研究﹒見趙維勤，高崇壽編﹒第五屆高能粒子產生和重離子碰撞理論研討會文集，北京：中國高等科學技術中心，1996：105圖書 著者﹒書名﹒版本﹒出版地：出版者，出版年﹒頁次如果該書是第一版則可以略去版次。例如：[4]韓其智，孫洪洲﹒群論﹒北京：北京大學出版社，1987﹒101預印本 作者﹒論文題目﹒預印本編號（出版年份）例如：[5]Xiaofeng Guo and Jianwei Qiu﹒The leading power corrections to the structure functions﹒hep—ph/9810548(1998)學位論文 作者﹒論文題目﹒學士(或碩士、博士 )學位論文. 出版地：出版者，出版年份例如：[6] 陳異. 納米粒子形貌控制研究. 碩士學位論文. 北京：中國科學院, 2002電子文獻 主要責任者. 電子文獻題名﹒電子文獻的出處或可獲地址. 發(fā)表或更新日期例如：[7] 王明亮. 關于中國學術期刊標準化數據庫系統工程的進展. http://www.caycd.edu.cn/pub/wml.txt/980810-2.html, 1998-08-16專利 專利所有者. 專利名稱. 專利國別：專利號，日期.例如：[8] 姜錫洲.一種溫熱外敷藥制備方案. 中國專利：881056073，1989-07-26.