TRR的轧制成形与过程仿真

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 3.07MB 82 页 15积分
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目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 引言 ....................................................................................................................1
§1.2 变截面技术 ........................................................................................................1
§1.3 变截面棒材的传统加工方法 ............................................................................3
§1.3.1 变截面棒材的无模拉伸 ..........................................................................3
§1.3.2 变截面棒材的楔横轧 ..............................................................................4
§1.3.3 变截面棒材的机械加工 ..........................................................................4
§1.4 变截面轧制技术简介 ........................................................................................5
§1.5 变截面技术研究现状 ........................................................................................8
§1.6 本文研究课题的提出 ......................................................................................10
§1.7 本文研究的主要内容 ......................................................................................10
第二章 TRR 成形理论基础 ..........................................................................................12
§2.1 TRR 轧制成形的基本理论 .............................................................................12
§2.1.1 轧制过程的基本参数 ............................................................................12
§2.1.2 咬入条件 ................................................................................................19
§2.1.3 轧制稳定条件 ........................................................................................23
§2.2 金属塑性成形理论 ..........................................................................................24
§2.2.1 金属的变形 ............................................................................................24
§2.2.2 屈服准则 ................................................................................................25
§2.2.3 塑性流动法则 ........................................................................................30
§2.2.4 硬化准则 ................................................................................................31
§2.2.5 本构关系 ................................................................................................32
§2.2.6 虚功方程 ................................................................................................32
§2.3 本章小结 ..........................................................................................................34
第三章 TRR 参数化设计 ..............................................................................................35
§3.1 参数化设计的概念及特点 ..............................................................................35
§3.2 开发原理与思路 ..............................................................................................36
§3.3 参数化图形设计 ..............................................................................................37
§3.3.1 参数定义 ................................................................................................37
§3.3.2 参数取值 ................................................................................................38
§3.3.3 实体生成与编辑 ....................................................................................39
§3.4 实例演示 ..........................................................................................................41
§3.5 本章小结 ..........................................................................................................42
第四章 棒料轧制过程的模拟及分析 ...........................................................................43
§4.1 有限元模型的基本假设 ..................................................................................43
§4.2 轧制有限元模型的建立 ..................................................................................43
§4.2.1 模拟条件 ................................................................................................43
§4.2.2 有限元分析建模 ....................................................................................45
§4.3 模拟结果分析 .................................................................................................47
§4.3.1 不同阶段轧件变形分析 ........................................................................47
§4.3.2 应力、应变及轧制力分析 ....................................................................49
§4.3.3 轧制速度场模拟结果 ............................................................................52
§4.4 下压量对轧件横向宽展量和纵向延伸量的影响 ..........................................53
§4.4.1 模拟实验研究 ........................................................................................53
§4.4.2 数据分析及处理 ...................................................................................55
§4.5 本章小结 ..........................................................................................................59
第五章 TRR 的成形仿真及研究 ..................................................................................60
§5.1 等截面棒连轧过程模拟 ..................................................................................61
§5.1.1 有限元模型的建立 ................................................................................61
§5.1.2 轧件变形模拟分析 ................................................................................62
§5.1.3 等效塑性应变模拟分析 ........................................................................63
§5.1.4 轧制力模拟分析 ....................................................................................64
§5.2 连续变截面棒轧制成形模拟 ..........................................................................65
§5.2.1 数学模型的建立 ....................................................................................65
§5.2.2 有限元模型构建 ....................................................................................67
§5.2.3 轧制力分析 ............................................................................................68
§5.2.4 等效应力分析 ........................................................................................69
§5.2.5 等效应变分析 ........................................................................................72
§5.3 本章小结 ..........................................................................................................74
第六章 结论与展望 .......................................................................................................75
§6.1 结论 ..................................................................................................................75
§6.2 展望 ..................................................................................................................76
参考文献 .........................................................................................................................77
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 81
致 谢 ...............................................................................................................................82
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 引言
矿产资源是我国经济和社会发展的物质基础。我国 90%的能源、95%以上的
工业和农业原材料都来自于矿产资源。然而，随着人口的快速增长，国家工业化
程度的飞越发展，资源供需矛盾日益突出，另外我国矿产对外依存度长期居高，
因此矿产资源能否可持续供应将是全社会关注的重大问题[1]。如何解决矿产资源
的供应不足，就需要在满足材料的使用要求下，降低材料消耗，减小资源的使用
率。目前工业领域及建筑行业均使用等截面用材，虽然在强度和刚度上满足了使
用要求，却浪费了大量的材料。据统计显示，我国开采的矿产资源中的 80%均用
于工业和建筑行业[2]，如果在符合强度性能要求下，减少材料的使用率，就可节
约大量资源。
能否找到一种合理的设计方法，使得材料使用量和结构性能得到完美融合。
结构优化发挥了重要作用，即根据材料的实际受载情况，通过改变截面形状，在
强度或刚度要求高的位置增加材料分配，而在受力较小或几乎不受力的位置减少
材料分配，这样就使得资源得到合理配置。
随着优化技术应用日趋完善，为了实现机械或结构的某些设计目标，如重量
轻、应力集中小、平均应力小、体积小、刚度最大、稳定性最佳等，以求得最合
理的结构尺寸和最合理的几何形状，并考虑到柱(或梁)沿轴线弯矩是变化的，实
际工程中多采用变截面柱（或梁）[3]。通过计算可知，在满足强度、稳定性和挠
度等条件下，连续变截面柱(或粱)比等截面拄(或粱)更能节省材料，且具有更优的
承载能力。
§1.2 变截面技术
变截面技术可以表述为：在满足材料的使用要求条件下，按照等强度理论，
尽可能地减少材料消耗，提高材料利用率。变截面可分为连续变截面和非连续变
截面两种类型。在减材效果上，连续变截面材料明显优于非连续变截面材料，且
具有更优良的承载性能。以一个末端受一定载荷的悬臂梁为例（如图 1.1），在由
等截面棒、连续变截面棒及阶梯棒制成的梁当中，连续变截面制成的梁可用最少
的材料达到与其它两种梁一样的抗弯刚度，减材效果最佳。
TRR 的轧制成形与过程仿真
2
图1.1 相同抗弯刚度下不同梁的减材效果比较
Fig.1.1 Comparison on material-saving between different beams with same stiffness
连续变截面技术可以分为两类：连续变截面板（Tailor Rolled Blanks 简称
TRB）和连续变截面棒（Tailor Rolled Rods 简称 TRR）。由于变截面结构具有优
良的减材和轻量化效果，目前被广泛地应用于汽车领域[4~6]，在一些汽车制造强国
（如德国），TRB 已经开始投入汽车工业的实际应用之中[7]。图 1.2 所示为 TRB
在汽车白车身上的应用，主要包括：横梁、前侧板、前座横梁、后座横梁、后侧
纵梁、连接横梁、侧梁等等。图 1.3 是白车身上的横梁和侧梁零件，中间区域板
料厚度均匀过渡。与等厚度板冲压制成的同一零件相比，采用连续变截面板制成
的零件不仅重量减轻，而且零件的刚度是根据负载优化的，即需要大刚度的区域
厚度较大，反之则小。在汽车结构设计过程中，根据整车负载仿真以及整车实验
结果来设计 TRB 零件。
图1.2 TRB 在白车身上的应用
Fig.1.2 The applications of TRB in the BIW
第一章 绪论
3
图1.3 某车型横梁和侧梁 TRB 零件图
Fig.1.3 TRB parts of cross member and side member in a car
相对于 TRB 而言，TRR 目前还处于研究空白阶段，而棒材比板材拥有更广
阔的应用领域。因此，探索 TRR 的成形技术无疑是变截面技术的一次重大突破。
§1.3 变截面棒材的传统加工方法
§1.3.1 变截面棒材的无模拉伸
无模拉伸成形是一种不采用模具而进行金属成型的加工方法，工件的一端固
定，采用感应加热（或其他方式）对工件进行局部加热到高温，使材料在被拉伸
方向上形成合适的温度梯度，同时以设定的速度拉工件的另一端，而热源和冷却
系统则以设定的速度向相反或相同的方向移动，从而获得变截面的产品。
其特点是：(a)不采用模具，材料的变形程度可以在拉伸的过程中随时间变化；
(b)材料的变形是在局部区域发生的，并通过局部区域材料在变形过程中稳定扩展，
使材料得到整体上的变形；(c)材料的变形过程在高温范围内进行，其原始组织状
态在变形过程中并无影响。
无模拉伸金属成形工艺的基本形式有两种，即非连续式无模拉伸和连续式无
模拉伸[8,9]，如图1.4示。
显而易见，无模拉伸有着无摩擦、拉伸力小、断面减缩力大、灵活性高等优
点，但是这种工艺过程比较繁琐，耗能比较大。
1-加工件；2-冷却器；3-加热器
TRR 的轧制成形与过程仿真
4
图1.4 任意变截面棒材无模拉伸工艺
Fig.1.4 Dieless Drawing of Arbitrary Section Rod
§1.3.2 变截面棒材的楔横轧
1-带楔形模具的轧辊；2-轧件；3-导板
图1.5 楔横轧原理图
Fig.1.5 The schematic diagram of Cross Wedge Rolling
楔横轧[10~12]是两个或三个带楔形模的轧辊朝相同的方向带动圆形料旋转，坯
料在楔形孔型的作用下，轧制出各种变截面的产品。其特点是：(a)工作载荷小，
设备重量轻，体积小，投资少；(b)工作效率高，坯料利用率高。
楔横轧是两个轧辊轴心线平行并以相同的方向旋转，圆形工件在轧辊上的楔
形模具带动下旋转，径向压缩轴向延伸成台阶轴类零件，如图1.5所示。适合生产
的零件包括汽车、拖拉机、摩托车上的各种台阶轴类零件。但是楔横轧的缺点也
显而易见：(a)工艺调整困难，仅适用于品种少、批量大的产品；(b)轧件长度要小
于800mm；(c)对复合产品的生产有一定的难度；(d)轧辊复杂，通用性差，设计制
造复杂。
§1.3.3 变截面棒材的机械加工
单纯的机床加工是通过车床等设备直接加工棒料，这种工艺比较浪费材料，
并且金属性能没有得到加强和提高。而将锻造与机械加工相结合，是一种生产变
截面实心工件的常用方法。一般是把锻造与铣削相结合。此方法优点是：(a)产品
精度高，表面粗糙度低；(b)设备简单，投资少；(c)生产效率高。但使用这种工艺，
工具消耗量大，易发生加工硬化，产生残余应力。
（1）数控铣削加工，即剥皮法 它是靠控制刀具的旋转与进给及棒料轴向运
动，用切削的方法得到变截面长棒料，此方法加工精度高，同时消除了表面缺陷，
摘要：

目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论.....................................................................................................................1§1.1引言....................................................................................................................1§1.2变截面技术..................................

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