開題報(bào)告-槽鋼輥彎成型過程的計(jì)算機(jī)仿真

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學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告學(xué) 生 姓 名：學(xué) 號(hào)：學(xué) 院 、 系 ：專 業(yè) ： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化設(shè) 計(jì) 題 目 ： 槽鋼輥彎成型過程的計(jì)算機(jī)仿真指 導(dǎo) 教 師 :年 3 月 15 日開題報(bào)告填寫要求1．開題報(bào)告作為畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在系審查后生效；2．開題報(bào)告內(nèi)容必須用按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師簽署意見；3．學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于 15 篇（不包括辭典、手冊(cè)） 。文中應(yīng)用參考文獻(xiàn)處應(yīng)標(biāo)出文獻(xiàn)序號(hào)，文后“參考文獻(xiàn)”的書寫，應(yīng)按照國標(biāo) GB 7714—87《文后參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則 》的要求書寫，不能有隨意性；4．學(xué)生的“學(xué)號(hào)”要寫全號(hào)（如 02011401X02） ，不能只寫最后 2 位或 1 位數(shù)字；5. 有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo) GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2004 年 3 月 15 日”或“2004-03-15”；6. 指導(dǎo)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(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫 2000 字左右的文獻(xiàn)綜述：文 獻(xiàn) 綜 述1.1 本課題的研究目的及意義 冷彎型鋼是一種經(jīng)濟(jì)斷面型材。由于其本身具有斷面均勻、產(chǎn)品質(zhì)量高、能源消耗低和經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)，故被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、建筑等行業(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各生產(chǎn)廠家己廣泛采用整體型材加工技術(shù)，從而取代經(jīng)過焊接等加工成型的材料，這就要求各競爭者不斷地改進(jìn)技術(shù)、提高質(zhì)量、降低成本，滿足廣大用戶的要求。盡管冷彎成型產(chǎn)品的生產(chǎn)和應(yīng)用己有百余年的歷史，產(chǎn)量和工藝都達(dá)到了一定的水平，但是由于其本身所具有的特點(diǎn)和規(guī)律尚未完全被人們掌握和認(rèn)識(shí)。其仍然被稱為是一門“未掌握的藝術(shù)” 。隨著市場對(duì)高品質(zhì)、多品種輥彎產(chǎn)品需求的不斷提高，過去那種試制時(shí)間長、精度差的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和加工方式己經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用戶的要求。同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，采用計(jì)算機(jī)對(duì)冷彎型鋼進(jìn)行孔型輔助設(shè)計(jì)(CAD)及過程分析((CAE)技術(shù)己經(jīng)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(shí)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(gè)數(shù)學(xué)模型難以描述，人工智能和專家系統(tǒng)是解決這一問題的方向。但是到目前為比，國內(nèi)所研制的 CAD 軟件幾乎都完全依賴經(jīng)驗(yàn)公式和參數(shù)，缺乏理論依據(jù)。設(shè)計(jì)人員不經(jīng)過實(shí)踐，無法初步判斷金屬變形是否合理，輥型設(shè)計(jì)是否合理。因此輥彎成型的計(jì)算機(jī)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(duì) CAD 系統(tǒng)提供板材變形預(yù)報(bào)和驗(yàn)證模型，從而在縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期與節(jié)約設(shè)計(jì)成本方面都具有積極的現(xiàn)實(shí)意義 [1]。 1.2 本課題的國內(nèi)外現(xiàn)狀隨著研究的不斷深入，輥彎成型理論有了很大的進(jìn)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(xué)木內(nèi)學(xué)教授提出利用含參數(shù)的形狀函數(shù)近似地描述帶材在成型時(shí)空間軌跡和變形曲面，求解應(yīng)變應(yīng)力 [3]。并對(duì)焊管輥型、成型過程生產(chǎn)線、軋機(jī)架數(shù)、機(jī)架間距等一系列影響因素進(jìn)行系統(tǒng)的分析，同時(shí)又?jǐn)U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(yīng)力的研究。木內(nèi)學(xué)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(gè)變形曲面決定十一個(gè)待定參數(shù)，造成所構(gòu)造的曲面與真實(shí)曲面之間誤差，從 Ifn 限制應(yīng)變應(yīng)力分析精度?？诒旧嚼娲髮W(xué)小野田義富等對(duì)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(shí)的彈復(fù)問題。美國 Roll-Kraft 公司的 Robert J.Harstain、英國 Aston 大學(xué)的 Milne；以及加拿大 W aterlo。大學(xué)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(fù)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(xué)，預(yù)測了簡單斷面型鋼的變形幾何形狀和應(yīng)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(yīng)變，認(rèn)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(yīng)變比其余類型應(yīng)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(dòng)理論和 VonMises 屈服準(zhǔn)則，通過塑性功率最小化，給出優(yōu)化的構(gòu)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(jì)算機(jī)可視化技術(shù)計(jì)算輥彎成型過程的塑性應(yīng)變，與實(shí)驗(yàn)結(jié)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(gè)變形歷史，獲得了優(yōu)化設(shè)計(jì)的軋輥形狀 [14-17]。在我國，蔡松慶首次采用有限兀法研究復(fù)雜的焊管成型過程;張必強(qiáng)和張全根曾以材料力學(xué)方法研究焊管成型問題;以燕山大學(xué)劉才教授為首的課題組，對(duì)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(jìn)行深入系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，取得許多重要的研究成果 [18][19-21]。綜合來看，國內(nèi)外研究人員對(duì)輥彎成型過程的研究熱點(diǎn)集中在有限兀分析方面。對(duì)仿真結(jié)果分析以及如何指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)方面做的較少，本課題則是通過對(duì)普通槽鋼輥彎成形工藝進(jìn)行全流程的參數(shù)化建模和對(duì)模型的分析來仿真實(shí)際加工過程，通過采用有限兀技術(shù)進(jìn)行全流程數(shù)值仿真，分析應(yīng)力、應(yīng)變等情況，選擇一組滿足整個(gè)輥彎成型過程要求的參數(shù)群，實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試的虛擬化，并通過配置不同參數(shù)來對(duì)模型進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證最終指導(dǎo)復(fù)雜截面件輥彎成型的規(guī)律。1.2.1國內(nèi)外的比較(1) 冷彎成型基礎(chǔ)理論研究不夠。冷彎CARD 是理論、經(jīng)驗(yàn)、數(shù)值算法、計(jì)算機(jī)技術(shù)的有效結(jié)合,而目前國內(nèi)編制的冷彎CARD軟件在算法上幾乎完全依賴經(jīng)驗(yàn)公式和參數(shù),缺乏理論依據(jù)。大多數(shù)冷彎CARD 僅僅是經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算機(jī)化的工作。其設(shè)計(jì)結(jié)果可靠性降低,一般只有在加工出軋輥進(jìn)行試軋后,才能確定設(shè)計(jì)成功與否。而國外的大型冷彎CARD 軟件,一般有變形預(yù)報(bào)模型和變形驗(yàn)證模型,可以在設(shè)計(jì)階段對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)及修改。(2) 缺少冷彎實(shí)驗(yàn)研究。冷彎實(shí)驗(yàn)包括真實(shí)成型實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn),如果這兩方面工作較完善,即可促進(jìn)冷彎理論研究的發(fā)展,同時(shí)可積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),給冷彎CARD 系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)模型和檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?。目前仍感到知識(shí)庫中專家知識(shí)的缺乏,這在很大程度上是由于實(shí)驗(yàn)研究不足; 在國外,一個(gè)大型冷彎CARD系統(tǒng)的誕生,其前期工作是大量的實(shí)驗(yàn)和理論工作,在這樣的基礎(chǔ)上,才能設(shè)計(jì)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(qiáng)大功能來實(shí)現(xiàn)軟件的商品化,而目前高檔微機(jī)的功能已接近工作站,在微機(jī)上實(shí)現(xiàn)冷彎的CARD 軟件的商品化已成為可能,只有達(dá)到這一步,軟件在國際市場才有競爭力。當(dāng)然,這需要多專業(yè)的人合作才能完成。彌補(bǔ)上述不足之處,將其作為今后工作的重點(diǎn)和動(dòng)力,才能使國內(nèi)冷彎 CARD 技術(shù)趕上國外先進(jìn)水平。但是,這是一個(gè)巨大的工程研究項(xiàng)目,只有多專業(yè),多部門長期合作才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),國外大型冷彎 CARD 系統(tǒng)的發(fā)展也證明了這一點(diǎn)。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(nèi)外有關(guān)輥彎成型過程模擬的資料，并進(jìn)行綜合分析，撰寫一篇有關(guān)輥彎成型過程發(fā)展與所采用手段的小論文；3、學(xué)習(xí) ANSYS 軟件；4、利用有限元知識(shí)對(duì)槽鋼輥彎成型過程進(jìn)行建模；5、分析槽鋼輥彎成型的位移場，等效應(yīng)變場，等效應(yīng)力場，揭示了金屬的三維流動(dòng)情況，同時(shí)分析各道次中面的縱向應(yīng)力應(yīng)變和橫向應(yīng)力應(yīng)變的分布；7、撰寫論文一份；8、外文資料翻譯參考文獻(xiàn)：【1 】周宏宇.槽鋼輥彎成型的數(shù)值模擬及工藝參數(shù)研究.碩士學(xué)位論文.北京：中國科學(xué)院, 2004【2】李大永，羅應(yīng)兵，張少睿，彭穎紅，工臼:J 一輥彎成型數(shù)值研究綜述及全流程仿真關(guān)鍵問題.機(jī)械科學(xué)與技術(shù).2004. 12. 1466-1469【3】木內(nèi)學(xué)，新谷賢，戶澤正孝。異形管?？?W 成型巨圃寸九實(shí)驗(yàn)的研究(第九報(bào))成形荷重 t}圃寸九綜合的檢討(1)一《生產(chǎn)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?yán)碚摷?CAE 技術(shù)研究進(jìn)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(jì)算.鋼鐵研究學(xué)報(bào).1997. 9 (2) :18-21.劉才，陸衛(wèi)平等.工藝參數(shù)對(duì)簡單斷面型鋼輥彎成型過程的影響.金屬學(xué)報(bào)，2002, 38 (3):331-333【20】韓志武，劉才.冷彎成型數(shù)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(shù)值模擬.應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，2002, 23 (3):292-298畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 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(nèi)容2.1.1 輥彎成型理論輥彎成型的成型機(jī)理比較復(fù)雜, 現(xiàn)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(jìn)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(jìn)行分析, 而縱向變形將帶材視為彈塑性薄殼進(jìn)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(yīng)變, 而且研究了不同的彎曲角度和彎曲角度增量下應(yīng)變的變化。認(rèn)為峰值應(yīng)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(xiàng)式, 即y= A x 3+Bx2+ Cx+ D, 并根據(jù)邊界條件求出各個(gè)待定系數(shù)。 K? Nakajima提出一種縱向應(yīng)變計(jì)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(shè)下得出的模型, 其縱向應(yīng)變具體形式為axial = dx 2 + dy2 + dz 2 - dz / dz2.1.2 輥彎成型具體內(nèi)容本課題以槽鋼輥彎為研究目標(biāo)，以經(jīng)驗(yàn)和試錯(cuò)法為基本理論依據(jù)，通過理分析以數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方式，研究槽鋼輥彎的特點(diǎn)及有限元的技術(shù)要求；基于、位移場，等效應(yīng)變場，等效應(yīng)力場基本理論進(jìn)行設(shè)計(jì),運(yùn)用有限元法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，借助 ansys軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化。具體內(nèi)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(nèi)外有關(guān)輥彎成型過程模擬的資料，并進(jìn)行綜合分析，撰寫一篇有關(guān)輥彎成型過程發(fā)展與所采用手段的小論文；3、學(xué)習(xí) ANSYS 軟件；4、利用有限元知識(shí)對(duì)槽鋼輥彎成型過程進(jìn)行建模；5、分析槽鋼輥彎成型的位移場，等效應(yīng)變場，等效應(yīng)力場，揭示了金屬的三維流動(dòng)情況，同時(shí)分析各道次中面的縱向應(yīng)力應(yīng)變和橫向應(yīng)力應(yīng)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(nèi)外研究方法， （2）學(xué)習(xí)并掌握 ansys 軟件的應(yīng)用，（3）學(xué)習(xí)輥彎成型過程的建模, （4）系統(tǒng)模擬槽鋼輥彎成型過程中的位移場，應(yīng)力場，應(yīng)變場。（5）研究槽鋼成型時(shí)不同道次的應(yīng)力，應(yīng)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(shí)，學(xué)習(xí)并熟練運(yùn)用 ANSYS 軟件，利用有限元理論對(duì)槽鋼輥彎成型過程進(jìn)行有限元建模，對(duì)槽鋼輥彎成型過程中的應(yīng)力場、應(yīng)變場和位移場和各道次橫向應(yīng)力、應(yīng)變和縱向應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行模擬；分析以冷彎槽型鋼成型的位移場，等效應(yīng)變場，等效應(yīng)力場，揭示了金屬的三維流動(dòng)情況，同時(shí)分析各道次中面的縱向應(yīng)力應(yīng)變和橫向應(yīng)力應(yīng)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(shù)以及先進(jìn)高強(qiáng)度鋼特性， 建立合理的輥彎成型有限元仿真模型并將其應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)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(jīng)有比較長的時(shí)間，但是其進(jìn)展仍然比較緩慢，還不能很好地解決實(shí)際生產(chǎn)和設(shè)計(jì)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(yàn)基礎(chǔ)上的，很難預(yù)測復(fù)雜塑性變形的金屬塑性機(jī)理，特別是沒有全面考慮影響金屬三維流動(dòng)的復(fù)雜因素。因此，研究輥彎成型力學(xué)性能，尋找各工藝參數(shù)在成型過程中對(duì)型材變形的影響，及掌握金屬流動(dòng)的變化規(guī)律，不僅能加深對(duì)輥彎成型理論研究，而且還能對(duì)實(shí)際生產(chǎn)與設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)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(shí)考慮了成型過程中的材料與幾何雙重非線性，對(duì)型鋼成型過程中進(jìn)行了三維彈塑性有限元模擬。本文將在以下幾個(gè)方面開展系統(tǒng)的研究工作:(1)建立冷彎型鋼模型。(2)系統(tǒng)模擬成型過程中的位移場、應(yīng)力場、應(yīng)變場。(3)研究型鋼成型時(shí)不同道次的橫向應(yīng)力、應(yīng)變和縱向應(yīng)力、應(yīng)變分布的狀況。(4)針對(duì)各成型參數(shù)對(duì)成型過程的影響及各道次中應(yīng)力、應(yīng)變的分布狀況，研究各因素對(duì)成型過程的影響，探索成型過程中的一般規(guī)律，為生產(chǎn)、設(shè)計(jì)提供參考。2.5 本課題所需的相關(guān)軟件ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、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(shù) CAD 軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD 等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí) CAE 工具之一。2.6本課題計(jì)劃進(jìn)度2013 年 02 月 23 日--2013 年 03 月 15 日 收集材料，復(fù)習(xí)相關(guān)專業(yè)知識(shí)，翻譯科技英文知識(shí)。2013 年 03 月 16 日--2013 年 04 月 06 日 學(xué)習(xí)有限元理論和學(xué)習(xí) 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(jié)果，編寫設(shè)計(jì)說明書。2013 年 06 月 01 日--2013 年 06 月 10 日 準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告指導(dǎo)教師意見：指導(dǎo)教師： 年 月 日所在系審查意見：系主任： 年 月 日附件：參考文獻(xiàn)格式學(xué)術(shù)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(shù)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(hào)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(jìn)展. 無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)， 2001, 17(3): 315~324[2] J.Y.Li, X.L.Chen,H.Li. 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