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扁挤压筒受力与变形分析及结构优化设计研究

李燕

  铝合金整体壁板具有比强度高、耐蚀性和气密性好、造型美观等优点,在制造业中日益得到广泛的应用,其成形过程主要由用组合式扁挤压筒在大型挤压机上完成。扁挤压筒在高温、高压、高摩擦的恶劣条件下工作,经常发生开裂。由于扁挤压筒的受力和变形特征尚未被真正掌握,影响了模具的强度和使用寿命,因而限制了它的应用和推广。为了改善扁挤压筒的强度,延长其使用寿命,应对组合式扁挤压筒的受力和变形状况进行科学的分析,进而对扁挤压筒进行优化设计,才能充分发挥模具材料的潜力,确保扁挤压筒的最佳工作性能。本文以扁挤压筒为研究对象,综合运用数值模拟和物理模拟方法,对壁板挤压成形规律和组合式扁挤压筒受力、变形状况进行了全面系统的分析,并结合神经网络和遗传算法思想,对扁挤压筒结构尺寸进行优化设计,取得了有重要意义的结论和对实际应用有指导作用的成果。首先系统地介绍了刚(粘)塑性有限元法的基本理论,并以此作为扁挤压筒数值模拟分析的理论基础,对其实现过程中的若干关键技术问题进行了研究,提出了解决方法。综合运用刚塑性和弹塑性分析方法研究扁挤压筒挤压成形壁板这一复杂问题,即先借助MSC.SuperForm软件平台分析成形过程,获得工作状态下挤压毛坯作用于扁挤压筒内壁的压力沿高度方向和沿型腔环线方向的分布情况;然后借助ANSYS软件平台将获得的真实内压力分布规律作为边界条件引入,用APDL语言编程,分析了三层组合扁挤压筒在热-预紧-非均匀内压力作用下的受力与变形状况。文中所做的热、预紧和非均匀内压力效应的综合分析,既保证了相互作用的关联性,又获得了全过程的完整解,使得数值模拟更客观地反映了扁挤压筒的受力状态,为后续组合式扁挤压筒的优化设计提供了必要的技术支持。用ANSYS软件提供的接触单元法分别对采用圆形内层套和椭圆形内层套两种结构下的扁挤压筒(两层)在预紧装配时的内孔变形规律进行了研究,针对内孔型腔变形的不均匀性,提出了扁挤压筒结构改进方案——圆度设计法,即用椭圆形内层套代替圆形内层套,使内孔变形均匀化,从而提高扁挤压筒型腔的尺寸精度,简化后续的修模工作。为了验证上述数值模拟结果的准确性,从两个方面开展了物理模拟工作。一是用光弹性实验法对扁挤压筒挤压成形壁板过程进行模拟,确定了挤压力的作用方式和扁挤压筒内部的应力分布;另一是用钢模比拟法对扁挤压筒预紧装配过程进行模拟,获得了挤压筒内孔型腔变形规律。实验结果与数值模拟结果一致,表明数值模拟结果正确可靠。用光弹性实验方法测定扁挤压筒内压力的作用方式,并以此作为有限元计算的边值条件,代替以往的均匀内压力作用的假设,提高了计算的精度,使挤压模具的优化设计更加科学合理。最后将神经网络技术和遗传算法思想引入到扁挤压筒结构优化设计中,先按影响扁挤压筒受力的主要因素(各层直径、各层间过盈量及工作内压)设计正交试验,在Matlab7.0平台下训练一个BP神经网络,找出扁挤压筒结构尺寸、工作状态与内部各点处等效应力之间的映射关系,再结合遗传算法,按等强度设计思想优化模具结构尺寸,得出一套可行的智……   
[关键词]:壁板挤压;扁挤压筒;数值模拟;物理模拟;神经网络与遗传算法
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:合肥工业大学2005年