（机械电子工程专业论文）板材卷曲过程的动态模拟与回弹研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 论文题目：堡塑堂些塾堡箜塾奎堡型复旦堂! 窒 p ij i i f f l l l t l l l j f l l l j i j l lh i tfi irill y 1 7 8 9 5 。, , = = 3 m l e i 7 l l a l l 作者： 何雪 指导教师： 协助指导教师： 高耀东副教授 单位：空茎重型垫奎堂 论文提交日期：2 0 1 0 年0 6 月0 9 日 学位授予单位：内蒙古科技大学 单位： 单位： 。t、0 ， 一4 t， p i l j j 1 一 j f 板材卷曲过程的动态模拟与回弹研究 d y n a m i cs i m u l a t i o na n d r e b o u n d r e s e a r c ha tt h e p l a t eb e n d i n gp r o c e s s 研究生姓名：何雪 指导教师姓名：高耀东 内蒙古科技大学机械工程学院 包头0 1 4 0 1 0 ，中国 c a n d i d a t e ：h e x u e s u p e r v i s o r ：g a o y a o d o n g s c h o o lo f m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g i n n e rm o n g o l i au n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y b a o t o u0 1 4 0 10 ，p r c h i n a 。j r 。| r 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：堑面盈导师签名：三塑：鱼日期： lo 6 i 乡 摘要 卷板机，是应用非常普遍的板材加工成形设备，广泛应用于锅炉、造船、石化、 金属结构、水泥机械、化工机械、机械制造及维修等领域。 近些年卷板机的应用更加广泛，随着卷板机卷板能力的不断增大，工程上对卷 板机设计的要求不断提高。其中卷板机的大体积、高功率、低精度和卷板低效率制 约着卷板机的发展，因此对这些问题的解决就成了当务之急，对这些问题的研究， 具有重要的理论和现实的指导意义。 本文系统的研究了卷板机的工作原理、加工工艺、基本参数、卷板成形理论以 及瞬态动力学分析的要点。借助有限元分析软件a n s y s ，采用瞬态动力学分析对型 号3 0 x1 6 0 0 m m 卷板机卷制会属板材整个过程进行动态模拟与回弹研究。首先，建 立了卷板机和板材的有限元模型，为了简化分析，只对卷板机的托辊进行建模；其 次，选用合适的单元类型，对托辊与板材进行网格划分；再次，定义了托辊与板材 的接触对，确定了卷板时的边界条件和接触位置，通过准确的分析其整个卷板情况， 将其合理的分成三个过程。在不同的过程中施加不同的约束与载荷，分析结果可以 得出上下辊的受力大小、上下辊的变形，板材的受力大小、板材的变形与回弹等重 要数据。对板材成形过程进行模拟与动态显示，从而更加直观地看出钢板从开始进 入到完成整个卷板完成的全过程，进而达到验证其可行性与可视性的目的，也给出 了在不同过程中上托辊下压量、板材的弯曲半径及板材的回弹量的计算公式，这对 解决以上卷板机存在的一系列问题提供了参考依据，对卷板机厂家进行技术开发与 改造具有很好的指导与借鉴意义。 关键词：卷板机；有限元分析；变形；回弹 气 r e s t r i c t si t sd e v e l o p m e n t ，t h u sr o l l i n gd e s i g nt os o l v e t h e s ep r o b l e m s ，i tb e c o m e st h es t u d yo f t h e s ep r o b l e m s ，t or e s e a r c ho nt h e s ei s s u e sh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lg u i d i n g s i g n i f i c a n c e t h i st h e s i ss t u d i e st h ep r i n c i p l e ，p r o c e s sa r ta n db a s i cp a r a m e t e r s ，p l a t ef o r m i n g t h e o r ya n dt r a n s i e n td y n a m i ca n a l y s i so fr o l l i n gm a c h i n es y s t e m a t i c a l l y u s i n gf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y st od od y n a m i cs i m u l a t i o na n dr e b o u n da n a l y s i sf o r t h e w h o l ec o i l i n gs h e e tm e t a lp r o c e s so fm o d e l3 0 16 0 0 m mr o l l i n gm a c h i n em o p t i n g t r a n s i e n td y n a m i ca n a l y s i s f i r s t , t h ee s t a b l i s h m e n tt h er o l l i n gm a c h i n ea n dp l a t ef i n i t e e l e m e n tm o d e l i no r d e rt os i m p l i f ya n a l y s i s ，w eo n l ye s t a b l i s ht h er o l l e r sm o d e l s e c o n d l y ， c h o o s ea p p r o p r i a t eu n i tt y p e s , m e s ht ot h er o l l e r sa n dt h ep l a t e a g a i n ，t od e t e r m i n er o l l e r s m e c h a n i c a lc o n t a c t 、析t i lt h ep l a t ee q u a t i o na n db o u n d a r yc o n d i t i o n s ，t h r o u g ha c c u r a t ea n a l y s i s o ft h e i re n t i r ep l a t eb e n d i n gp r o c e s s ，w i l lb ed i v i d e di n t ot h r e ep r o c e s s e si t sr e a s o n a b l e t h e p r o c e s si nd i f f e r e n ti m p o s ed i f f e r e n tc o n s t r a i n t sa n dl o a d s ，w h i c ha r eg i v e ni nt h ed i f f e r e n t p r o c e s s e su n d e rt h ep r e s s u r er o l l e ri nt h ea m o u n to fb e n d i n gs h e e tv o l u m ea n ds h e e tf o r m u l a f o rc a l c u l a t i n gt h ea m o u n to fr e b o u n d t os i m u l a t et h ep r o c e s so fs h e e tf o r m i n ga n dd y n a m i c d i s p l a y ，t h u sc a nm o r ei n t u i t i v et os e ef r o ms t a r tt of i n i s hs t e e lp l a t ei n t ot h ec o m p l e t i o n ，t h e n t oa c h i e v et h eg o a lo ff e a s i b i l i t ya n dv i s i b i l i t y ，a l s op r o v i d et h er e l a t i o no f t h eu p p e rr o l l e rp r e s s v a l u ea n dt h ep l a t eb e n d i n gr a d i u sa l o n gw i t hr e b o u n dq u a n t i t y ，t h i sp r o v i d e sr e f e r e n c eb a s i st o s o l v et h ea b o v ep r o b l e m sf o re x i s t i n gr o l l i n gm a c h i n ea n dh a sv e r yg o o dg u i d a n c ea n d r e f e r e n c et oi m p r o v ea n dr e f o r mt e c h n o l o g yf o rt h er o l l i n gm a c h i n em a n u f a c t u r e r s k e yw o r d s ：r o l l i n gm a c h i n e ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；d e f o r m a t i o n ；r e b o u n d 2 ， 亡， 1 c 科技大学硕士学位论文 目录 摘 要l a b s t r a c t 2 1 绪论1 1 1 选题的目的和意义1 1 1 1 选题的目的l 1 1 2 选题的意义2 1 2 国内外卷板机的发展现状2 1 2 1 国外卷板机的发展现状2 1 2 2 国内卷板机的发展现状3 1 3 传统滚弯成形技术与现代滚弯成形技术的对比3 1 3 1 传统滚弯成形技术3 1 3 2 现代滚弯成形技术4 2 卷板机的主要性能7 2 1 卷板机的分类与特点。7 2 1 1 卷板的分类7 2 1 2 卷板机的分类。7 2 1 3 卷板机的使用范围与条件8 2 2 卷板机的工作原理。8 2 3 卷板的工艺1 0 2 4 卷板的基本参数1 2 2 5 本章小节1 3 3 卷板机卷板成形的原理1 4 3 1 卷板成形的基本理论1 4 3 1 1 卷板成形的平面假设。1 4 3 1 2 卷板成形的中性层位置1 4 3 1 3 卷板成形时实际的应力应变曲线p 1 5 3 2 金属弹塑性力学理论1 6 3 2 1 卷板成形的原理1 6 3 2 2 板材在卷板成形过程中的应力应变分布与变化情况1 7 3 2 3 板材在卷板成形过程中的力学分析1 9 3 2 4 卷板成形问题分析2 3 3 3 本章小节2 4 4 卷板成形过程有限元模型建立与动态模拟2 5 - c i 、 内蒙古科技大学硕士学位论文 4 1 有限单元法概述2 5 4 1 1 有限单元法原理一2 6 4 2a n s y s 模块与分析过程2 7 4 3 瞬态动力学分析简介2 8 4 3 1 三种求解方法2 9 4 3 2 载荷步与初始条件的建立3 0 4 4 模型建立前期准备3 0 4 4 1 单元的选择。3 0 4 4 2 实常数的定义。3 l 4 4 3 材料模型的选择3 1 4 4 4 建立几何模型。3 2 4 4 5 网格划分。3 3 4 4 6 约束边界条件3 4 4 4 7 接触定义3 5 4 4 8 摩擦定义3 6 4 4 9 局部坐标系建立3 6 4 5 有限元模型的建立3 7 4 6 卷板成形有限元模拟分析3 7 4 6 1 上辊下压过程中的有限元模拟3 8 4 6 2 板材滚圆过程中的有限元模拟4 1 4 6 3 上辊回升过程中的有限元模拟4 7 4 7 卷板成形时上辊下压量与卷筒半径之间的关系4 9 4 7 1 滚圆过程中的力学计算4 9 4 7 2 卷板过程中的上辊下压量和卷筒半径关系的数值计算5 8 4 8 本章小结6 3 5 板材成形的回弹分析6 4 5 1 卷板成形过程中的应力的分布区域6 4 5 2 回弹原理6 6 5 2 1 卷板变形区的回弹6 6 5 2 2 非变形区的回弹6 7 5 3 回弹的分析6 7 5 4 回弹值的计算6 7 5 5 影响回弹的因素和控制回弹的措施7 0 5 5 1 影响回弹的因素。7 0 2 ， 一， 内蒙古科技大学硕士学位论文 5 5 2 控制回弹的措施7 1 5 6 本章小节7 1 6 结论与展望7 2 6 1 结论7 2 6 2 展望7 3 参考文献7 4 在学研究成果7 8 致谢7 9 每 、， 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 绪论 随着石油化工、航空航天、船舶等行业的迅速发展，卷板机使用的范围越来越广， 所要求的条件也越来越多，现在的卷板机大多已经应用于锅炉、造船、石油、化工、 水电、航空、金属成形等行业中，主要是将规则或不规则的金属板材卷制成圆柱和 圆锥等所需的形状【1 1 。 1 1 选题的目的和意义 1 1 1 选题的目的 目前国内的卷板机存在着各种各样的问题，例如外形过大、提供转距的电机功率 过高，卷板的效率不高，卷板的精度不能满足客户的需求和不能实现自动控制等， 这就需要运用现代化的卷板理论与分析方法对上述问题进行一一地解决，促使卷板 机不断的发展来满足卷板业日益增多的需求。为了满足不同的市场需求，卷板机在 结构、功能上需要不断改进和更新【2 】。 筒件是各行业机械设备中的重要组成部分，在化学化工航空航天等特殊行业里， 对筒件的质量、精度、外观等要求非常高，所以很有必要提高卷板机卷制板材的质 量，这也是卷板成形的重点和难点。 托辊是卷板机的重要部件，卷板机的其他部件均是以托辊为基础进行设计，托辊 设计过大过重，会导致卷板机的其他部件，包括机架，底座等要相应的增大，减速 器输出扭矩，电机的功率也要增大，从而浪费了不必要的材料与能源。作为卷板机 的支撑与卷板部件，托辊的强度和刚度、可靠性和稳定性对工作性能至关重要。通 过对托辊的有限元分析，即能得到所需要的结果。 以往的研究均是力学分析或实验性的分析，很少有以有限元这些先进的软件进行 分析，但是实际在整个加工过程中影响卷板因素很多，单靠纯粹的力学分析已经不 能满足要求，比如在卷板过程中各个托辊的转速差、板材的自重等是通过力学公式 表达不出其真正的影响的。实验法又复杂且不直观，也不能时刻跟随卷板过程进行 有效的判断，这样必然影响了卷板的质量。而通过有限元软件对板材卷曲过程的分 析，真实的模拟出卷板卷曲过程中板材的动态变化，产生大应变的过程等非线性的 问题。可以得到托辊与钢板在卷曲过程中的各个时刻的位移，应力变化云图，节点 的位移时间图等，从每个时间段内都能全面、清晰、直观地看到各个部位受力情况， 并能分析出最终的卷曲效果。 ， e 岁 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 1 2 选题的意义 有限元动态模拟与分析在对称三辊卷板机中的应用有以下研究的意义：1 ) 可以 清楚的看出托辊在工作过程中的受力状况和变形情况，这对卷板机设计人员充分发 挥托辊材料的性能提供了参考依据。2 ) 可以看出板材在卷制过程中的受力和变形情 况，能够了解板材在卷板过程中出现的问题并及时解决。3 ) 通过对板材下压量与卷 筒半径及回弹的研究，提高板材的利用率和卷成精度，避免了因多次滚卷在摩擦损 耗上浪费的能源，提高卷板机的工作效率。4 ) 为卷板机新型号的研究提供了参考依 据。 1 2 国内外卷板机的发虑愀 1 2 1 国外卷板机的发展现状1 3 , 4 1 5 0 年以来，卷板机随着科技特别是微电子、计算机技术的进步而不断发展，卷 板设备也越来越多的采用计算机实行自动控制，使加工精度、工作效率大大提高， 同时减少了工人的劳动强度、改善了工作条件。美国、德国、日本三国的卷板机技 术非常先进，经验很多，并且分别有自己的特点。 在美国，政府重视卷板机工业的发展，因而不断提出卷板机的发展方向，提供充 足的经费，注重基础科研。由于美国首先结合汽车、轴承行业的生产需求开发了大 批自动生产线，所以美国的高性能卷板机技术在世界一直居领先地位。 德国不但重视员工素质，而且重视理论与实际相结合，基础科研与应用技术并重， 在卷板机产品质量上精益求精。德国的卷板机质量及性能良好、先进实用，出口遍 及全世界，尤其是大型、重型、精密卷板机，在质量、性能上居世界前列。 日本在重视人才及卷板机部件配套方面学习德国，在质量管理及卷板机技术方面 学习美国。日本在发展卷板机的过程中，狠抓关键，突出发展卷板机系统。在产量 上居世界第一，销售额占世界市场的5 0 ，对加速日本和世界卷板机的发展起了重 要作用。除了上述国家以外，还有很多发达国家的卷板机水平也很高。 国外著名厂家及产品如下： 瑞士c h r h a e u s l e r 公司，生产世界上最大的四辊卷板设备：v r m h y4 0 0 0 x 1 5 0 m m 。冷卷钢板规格为1 5 0 4 0 0 0 m m ( 最大厚度最大宽度) ，热卷规格为2 6 0 4 0 0 0 m m ，主要用于核工业方面。意大利p r o m a u 公司生产全液压式“d a v i 系列 四辊卷板机，它具有自动平衡系统( a b s ) 、行星摆式回转导轨( p s g ) 、自动润滑系 统( a l s ) 、节能系统( e s s ) 。国外生产卷板设备的著名厂家还有西德的瑟尔夫公司、 福斯造船及机械公司、英国布郎克公司和日本富士车辆公司等。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 2 2 国内卷板机的发展现状即l 科学技术的发展和对国外卷板技术的不断学习和引进，使我国卷板设备的生产 技术有了很大提高。近几年，我国生产的三辊可调式卷板机和四辊卷板机越来越多 地代替了在卷板设备中一直占据主要地位的对称三辊卷板机。其中上辊万能式三辊 卷板机逐渐取代了下辊水平下调式三辊卷板机而广泛应用。随着液压产品生产技术 不断进步，国产液压元件的精度、性能已达到较高的水平。所以，液压传动也越来 越多的应用于卷板设备中。目前，用于卷制中薄板的小功率卷板机多采用机械传动 或机液混合驱动，用于卷制厚板的大功率卷板机多采用液压驱动或多电机同时驱动。 但由于我国机械加工设备水平与加工技术水平与世界发达国家相比，仍有一定的差 距，所生产的机械零部件和液压元件的加工精度达不到设计要求，因机械摩擦造成 的机械损失和因泄漏造成的液压损失较高。所以卷制同等规格的钢板，所需卷板机 功率要高于国外的卷板机，使得卷板设备体积庞大，形体笨重。另外，我国引进国 外数控卷板技术，在数控卷板工艺和设备研究方面作了大量工作。但是，从数控技 术的实现上看，还不能达到令人满意的结果，还不能根据被卷制坯料的材质、规格 尺寸、卷曲曲率等，正确计算和调整工艺参数，达到真正的全自动控制，而是需要 较多的人工干预。国内生产卷板设备的厂家有一重、二重、沈阳重型机械厂、太原 重型机械厂、江苏南通重型机械厂、长治锻压机械厂等。目前，国内对卷板机的研 究主要集中在高等院校和企业，对于卷板机研究较多的学院和企业如下：武汉理工大 学、天津大学、武汉化工学院、江苏科技大学、武汉化工学院、太原科技大学、首 钢长治锻压机床厂及南通安南重工机械有限公司等，这些高校和企业对卷板机的研 究主要集中在大型卷板机的研究、卷板机数控技术的研究、卷板机的力学模型与运 动仿真的研究。 1 3 传统滚弯成形技术与现代滚弯成形技术的对比 滚弯成形技术，俗称卷板成形，是现在应用比较广泛的板材成形方法之一，在以 往的很多年里对卷板成形的研究主要是在卷板机的工艺、卷板机的外观、卷板机的 自动化等方面。 1 3 1 传统滚弯成形技术 传统滚弯成形技术主要是指卷板机设计者凭借自己的卷板机设计经验，借助以前 的卷板机理论公式进行计算，对卷板机做精度低、局部外形改变的实验，来完成对 卷板机的设训1 们。 前苏联学者莫施宁1 1 1 和格罗莫娃等人在很早的时候就对卷板机的结构进行了 dt 冀 r i p 7 ， 力学分析。莫施宁首次提出了塑性变形和卷板及矫正理论。在十九世纪八十年代， 丹麦人h a n s e n ”】研究了机械式对称式三辊卷板机的基本参数的变化关系。 e t r o s t m a n n 1 4 】等人基于h a n s e n 的理论基础，得出了卷板机自动控制理论，这是最早 的卷板机自动控制理论，后来的研究者都是以此为基础形成了现代自动化卷板机的 自动成形原理。 相对于国外的卷板机的迅猛发展，国内在卷板机的研究上就起步的较晚了，但 在近年国内学者把握了卷板机的发展趋势，开始了对卷板机的研究，在很多方面取 得了长足的进步。胡卫龙【1 5 】等人对卷板的工艺过程和受力分析进行了研究。斯厚达【1 6 l 等人对板材卷板时的回弹分析与计算方法进行了研究。徐辅仁【1 7 】运用弹塑性理论对 船舶壳体板在对称式三辊弯板机中发生弹塑性弯曲时的受力及变形作了系统的分析 及研究，提出一组可按照板厚度、板材料弹性模量、板材料屈服极限及成形后船体 板应具有的曲率等参数确定中心辊进给量及施加力的理论计算公式。舒东海【1 7 】等人 通过对板材滚弯成形的理论分析计算，从理论上建立了板材滚弯成形的数学模型。 所以说，传统的卷板成形的特点是：卷板机设计人员以静态为假设条件，以卷板机 理论为基础来进行实验，这时候只要依靠设计者本身的主观判断，与实际情况的联 系较少，而且也不精确。虽然传统的卷板成形技术存在着很多问题，但也有其不可 磨灭的意义，它在长期的实验中积累了丰富的经验，为现代卷板成形技术的发展做 出了重要的贡献。 1 3 2 现代滚弯成形技术 现代滚弯成形技术是以最新的卷板理论为基础，以计算机为工具进行卷板机的 计算与分析。它集合了最新的卷板理论、计算技术和分析程序，并辅以最新的卷板 检测系统来精确检测卷板机的参数的变化。 上世纪5 0 年代到6 0 年代，出现了有限元法，但是当时理论发展尚不成熟，并 且计算机的软、硬件不能满足有限元法的要求，这就限制了当时有限元法的发展， 在实际应用上没有得到推广。随着有限元程序的发展，人们逐渐将其应用在工程应 用上，它们以功能强大、使用方便、计算结果可靠和效率高而逐步代替了以往的卷 板成形技术，从而成为当时乃至现在最为流行的卷板分析技术。 现代设计方法包含很多的方法，有限元法( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 就是 其中重要方法之一，它的基本理念是用简单的问题来替代复杂的问题，然后利用先 进的分析理论进行求解。它将整体单元划分为有限个小单元( 他将求出的结果分为 有限个相关的更小的结果) ，对每个单元都求解出近似解，然后对所有的近似解进行 归总来得出最后的结果。虽然这个结果是近似值，因为在实际当中，工程中并不能 枣_ 掌 叶 ， 内蒙古科技大学硕士学位论文 得到精确值，所以这个近似值已经能满足工程上的应用了。和以往的分析方法相比， 有限元法理论较为成熟，适用于各种不同的工程应用，而且计算时间短、精度较高、 成本低，基于以上优点，有限元法渐渐成为了目前最为有效的工程分析方法。 基于上述优点m o i l t l 8 j 提出了用有限元法来模拟板材的最佳成形路径的方法。在 该方法中，加工过程是通过反馈控制来自动修正的，而反馈控制量是根据有限元模 拟过程中每一阶段的变形形状、应力应变分布及载荷情况计算出的，并使用模糊推 理来求上辊的运动。y a n g t l 9 】等人则提出了用可控有限元法来加工不定曲率板的方法。 板材加工时，用可控有限元法来确定将板材滚弯到期望曲率分布时托辊的运动，而 托辊的运动是利用接近期望曲率分布的反馈控制来调整的；同时这个运动又是基于 在弯板过程中每一个变形阶段的计算曲率分布上的模糊推理来逐渐修正的，但仍和 实际加工情况有些不同。 在国内，很多高校和学者现在把研究的重点放在了卷板成形的数值模拟研究工 作例如：哈尔滨工业大学、南京工业大学、天津大学等。哈尔滨工业大学的胡军峰【2 0 】 等人用大型工程有限元分析软件m s c m a r c ，成功地实现了对船用大尺寸钢板滚弯 过程的模拟。有限元模拟过程中实体单元离散的板材曲率计算问题进行了研究，提 出了计算曲率的方法。天津大学的郑东裂2 1 】等人为配合卷板设备数控系统的研制和 对卷板工艺过程进行优化，建立了三辊数控卷板成形过程的弹塑性大变形接触问题 的有限元模型系统。系统研究了卷板过程的机理，建立了卷板模拟的弹塑性大变形 有限元方程，研究了系统中单元的选取，接触边界条件的处理。根据该模型可对卷 板过程中各几何控制参数和成形结果之间的关系进行精确计算。在此基础上开发了 相应的有限元程序。计算实例证明了该系统的精确性和可靠性，为制定和优化卷板 工艺过程提供了依据。 纵观卷板技术的发展，它由以往的材料力学方法过渡到现在的有限元分析法； 由传统的试验法过渡到现在的计算机模拟分析法【2 2 1 。有限元分析不仅在现代卷板成 形技术中占有重要地位，而且越来越多地运用于各种工程机械的建模与分析当中， 更是广泛地应用于力、热、光、电、声等各个行业和领域中，对现代的科技取得了 不可磨灭的贡献，基于以上优点本文采用有限元法对卷板机进行分析与研究。 在有限元分析软件a n s y s 中对卷板机和板材建模并对其卷板过程进行动态模 拟与分析，通过有限元分析，得出卷板机托辊和卷制板材的应力与应变规律和各个 时刻卷板机与板材的应力、应变值，使设计人员能够准确看出卷板机托辊和板材的 应力应变的变化规律。并通过这些数据对托辊和板材进行设计，以提高托辊的利用 率和板材卷曲成形的精度。有限元法是计算机辅助分析最主要的工具之一，充分发 挥有限元数值计算的准确性可以在工程分析中发挥其重要的作用，它是c a e 设计研 一 气 内蒙古科技大学硕士学位论文 究中的一个主要热点，是机械零件设计的发展方向。 本论文研究的主要内容： 运用a n s y s 有限元分析软件为某公司生产的3 0 x1 6 0 0 m m 机械对称式三辊卷板 机的托辊和被加工的金属板材建立力学模型，进行接触分析，再施加载荷对其整个 卷板过程进行动态模拟与分析，并对其在卷板过程中的板材回弹进行研究。 采用有限元分析与现代力学理论相结合的方式，不仅可以提高卷板机的利用 率，；还可以提高加工板材的成形质量与精度；同时还可以得到较为准确的数据，将 这些数据与试验数据对比，对其进行修正，可以得到更为精准的模拟过程。 为此，本文从以下几个方面进行研究： ( 1 ) 简要阐述有限元法的基本原理和基本方法，介绍卷板机工作的原理及卷板 过程中的相关参数，卷板的成形原理等内容。 ( 2 ) 用有限元软件a n s y s 建立板材和上、下托辊的有限元模型，设置材料的 单元类型，材料类型，划分网格，定义接触对，施加位移载荷，然后进行求解运算， 对分析结果进行查看，得出不同时刻托辊辊与板材的受力与变形情况；撤消载荷， 查看托辊与板材的残余应力与变形。 ( 3 ) 给予板材不同的上辊下压量，并对不同的过程进行模拟，对卷板成形过程 中上辊的下压量与卷成半径之间的关系进行公式推导，并与分析值进行对比。 ( 4 ) 在最后对板材的回弹量进行计算与分析，得出影响回弹的因素和控制回弹 的措施。 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 卷板机的主要性能 卷板机在锅炉、造船、石油化工、航空、水电、装潢、金属结构等行业中应用非 常普遍，随着上述行业的不断发展，不仅对卷板机卷板的能力和范围提出了更高的 要求，而且对板材制作的精度的要求也越来越高。本文利用现代分析方法对卷板机 卷制板材的过程进行动态模拟与分析，分析之前先对卷板机的特点及其分类、工作 原理、卷板机的基本参数以及卷板成形理论等做简单介绍。 2 1 卷板机的分类与特点 2 1 1 卷板的分类 卷板按照工作状况分为：冷卷和热卷两种【2 3 l 。冷卷是指不加热直接在卷板机上卷 制。热卷是指将钢板加热至锻造温度( 一般在1 0 0 0 0 。c 左右) 后卷制。冷卷的精度 高，操作方便，要求钢板不能有缺口及裂缝等缺陷，有时还需在滚弯前进行正火或 退火处理。热卷的最大缺陷是产生氧化皮及明显热膨胀。因此，只有当弯制的板超 过机器的冷卷能力或弯曲较大时，才能使用热卷法，但冷卷的板材厚度范围目前正 在日益扩大。生产也应根据不同卷制方法的特点结合具体情况适当选用。比如冷卷 的刚度太差，弯板困难，有些地方不允许出现上述情况，这时候冷卷就不合适了， 就需要采用热卷的方法就比较合适。 2 1 2 卷板机的分类 卷板机的类型按照不同的分类方式可以分为多种，下表列出几种常见的卷板机， 见表2 1 。 表2 1 卷板机的分类 厂一 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 1 3 卷板机的使用范围与条件 表2 2 卷板机的使用范围与条件 2 2 卷板机的工作原理 卷板机是根据三点成圆的原理，通过托辊的位置变化和其旋转运动使板材产生 弹塑性变形，以获得所需形状的简体【2 4 1 。不同的卷板机工作方式也不同，下面介绍 几种常见的卷板机的工作原理： ( 1 ) 对称三辊卷板机 对称式三辊卷板机如图2 1 所示。卷板机上辊在两下辊中间正上方位置，通过液 压缸内的液压油作用于活塞( 液压式) 或通过锥齿轮传动( 机械式) 作垂直升降运 动，通过主减速机的末级齿轮带动两下辊齿轮啮合作旋转运动，为卷制板材提供扭 矩。卷板机规格平整的塑性金属板通过卷板机的三根工作辊( - - 根下辊、一根上辊) 之间，借助上辊的下压及下辊的旋转运动，使金属板材经过多道次连续弯曲，产生 永久性的塑性变形，卷制成所需要的圆筒、锥筒或它们的一部分。 内蒙古科技大学硕士学位论文 细融 图2 1 对称三辊卷板机 ( 2 ) 不对称三辊卷板机 不对称式三辊卷板机如图2 2 所示。上辊l 装在下辊2 的上面，通过主减速机的 末级齿轮带动上下辊齿轮啮合作旋转运动，为卷制板材提供扭矩。下辊2 可以沿垂 直方向调节。下辊3 装在下辊2 的一侧。下辊3 可沿a 向运动。下辊3 可用电动或 手动进行调节。卷板时，先将板材置于上、下辊之间，使其前端进入下辊3 然后升 起下辊将板材紧压在上、下辊之间，如图2 2 ( a ) 所示。再升起下辊3 ，预弯板材右端， 如图2 2 ( b ) 所示，降下下辊3 ，上、下辊旋转，使板材移至图2 2 ( c ) 位置。再升起下 辊3 ，预弯板材左端，如图2 2 ( d ) 所示。最后启动电机，使上、下辊旋转，使板材产 生永久性的塑性变形，如图2 2 ( e ) 所示。 岛d 陆眵 图2 2 不对称式三辊卷板机 ( 3 ) 水平下调式卷板机 如图2 3 所示，板材处于卷板机上、下托辊之间，然后两下辊同时水平向右移动， 然后上辊下压，对板材左边进行预弯，然后上辊旋转，两下辊向左移动，将板材带 至左边位置，然后上辊下压，对板材右边进行预弯，最后上辊旋转，带动板材卷成 筒形。 舻黯一盼峙书n 醌凰 ( c )q ) 图2 3 水平上调式卷板机 一 ，- 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 3 卷板的工艺1 2 4 1 卷板机的工艺包含下面4 个过程：预弯、对中、滚圆和矫圆。 ( 1 ) 预弯 在卷板过程中，如用对称式卷板机卷板时，板材的两边会有部分平板不能卷曲， 这部分仍保持直板的部分叫做剩余直边，为了将剩余直边卷成需要的形状，就需要 对其预弯。 对称弯曲时，剩余直边为板厚的6 - - 2 0 倍；不对称弯曲时，剩余直边为板厚的1 2 倍即可。常见的方法有以下四种： 使用端部弯曲模 卷板成形之前，需要根据板材形状的需要，通过模具和压力机或卷板机把板材的 两端完成一定的角度、一定形状的工艺方法。如图2 4 所示。 髫一 图2 4 使用端部弯曲模预弯的示意图 使用滚弯机 滚弯机可以通过改变机架间距来选择不同长度的板材，使其在两端的滚轮之间使 板材的两端得到所需要的曲率的机器。如图2 5 所示。 罗驴一，骚扩即即缈l笏! fj 尹： 图2 5 滚弯机 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 具有端头弯曲用压料板的三辊卷板机 如图2 6 所示，在三辊卷板机的两个下辊轮之间置入可做上下运动的压料板，对 板材的两端预弯。 图2 6 带弯边垫板的三辊卷板 可调式卷板机 如图2 7 所示，通过调整三辊卷板机或四辊卷板机工作辊的位置，对板材的两端 预弯。 图2 7 调整工作辊的位置作端部预弯 ( 2 ) 对中 对中的目的是使工件的母线与托辊的轴线平行，防止板材产生偏转。如图2 8 所 示，下图介绍了三种常见的对中方法。 图2 8 对中 ( 3 ) 滚圆 滚圆过程分一次滚圆与多次滚圆两种。该论文就是以滚圆过程作为重点研究部 分，并以一次滚圆作为研究。厚板常用多次滚圆的方式，采用这种方式得到板材的 内蒙古科技大学硕士学位论文 质量要优于一次滚圆。滚圆时应注意以下两点： 滚圆时如果是冷卷，需要施加一定的过卷量，如果所用板材为高强度钢，在 最终成型时需进行一次退火，来消除冷作硬化，以减少回弹得到需要的卷制筒件。 滚圆时如果是热卷时，则不需要考虑回弹的问题。只要控制好下压量，就能 得到所需要的卷制筒件。 ( 4 ) 矫圆 为了得到曲率一致的筒件，光是滚圆是不能够保证筒件的质量，这时就需要对 筒件进行矫圆，使得筒件各部分的曲率一致。矫圆过程分为三步： 找出板材所需矫正的最大曲率的地方 将托辊置于在步骤中找出的位置上，开动卷板机，上辊下压，在固定曲率 下转动托辊，直到板材的曲率符合要求。 逐渐去除载荷，在相对低载荷的情况下多次卷板，使板材达到均匀的曲率。 2 4 卷板的基本参数 卷板机的类型多种多样，本章介绍了目前最为常见的三种卷板机，每种卷板机 都有各自的特点和优缺点，这就需要看所卷板的类型和经济。本文以机械对称式三 辊卷板机作为研究对象，它结构简单、普通、应用广泛，并且最具有代表性。 同种类型的卷板机规格也多种多样，性能有差异，主要是各个设计参数的不同， 现将影响卷板机工作性能的主要参数介绍如下，图2 9 是对称三辊卷板机的实体模 型： r 图2 9 机械三辊对称卷板机实体模型 内蒙古科技大学硕士学位论文 表2 3 机械三辊对称卷板机主要参数 2 5 本章小节 本章主要按照不同方式对卷板和卷板机进行了分类，并就不同的卷板机的使用 范围、条件和工作原理进行了介绍，本文研究的是卷板过程中的卷圆工艺，除此之 外，还介绍了其他三种卷板工艺。最后，给出了卷板机的实体模型，并就所研究的 机械对称式三辊卷板机给出了主要参数。 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 卷板机卷板成形的原理 卷板机卷板成形时的板材厚度较小，外观均匀流畅的特点，在化工、航天等领 域广泛应用。本章以金属弹塑性力学理论为基础，介绍了在卷板过程中板材成形的 原理、应力应变分布与变化状况以及卷板成形中存在的问题。 3 1 卷板成形的基本理论 卷板成形时，把被弯曲板料的内侧半径叫做曲率半径，把弯曲部分与直板部分 的夹角叫做弯角，把应力为零的层面叫做中性层【2 5 1 。除了这几个定义以外，下面就 接触到的基本理论作简单介绍。 3 1 1 卷板成形的平面假设 在卷板成形时，板材在横截面法向应力远远大于切向应力，所以在后面的分析 当中重点研究了卷板成形时的法向应力。在研究板材横截面上正应力的时候需要考 虑横截面的变形，因此在卷板成形时将板材划分为很多个并排的梁，这种假设已经 在试验中证明了其正确性。板材梁在卷板成形时，其横截面不论是变形前还是在变 形后都是平面。 3 1 2 卷板成形的中性层位置1 2 5 , 2 6 1 在卷板过程中，板材的几何中心层和中性层不断改变化，不是从开始到结束都 是重合的。在卷板成形过程中，板材内部受压应力，外部受拉应力。在卷板过程中， 板材的体积始终是不变的，随着板材曲率的增大，材料就必然要从板材的内表面向 外表面作径向移动，即材料将从受压的一侧向受拉的一侧移动。 因此，根据板材成形过程中各层移动时的受力情况和纤维的受拉压情况可以将 板材分为三个区域： 第一区域：曲率半径大于初始几何中心层的各层，这层的板材在卷板过程中始终 受拉伸。 第二区域：曲率半径小于卷板结束时的中性层的各层，这层的材料在弯板的全过 程中始终受压缩。 第三区域：包括初始几何中心层与卷板结束时的中性层之间的各层，这一区域的 材料先受压缩后受拉伸，因此会产生材料的鲍辛格效应，并且要经历弹塑性卸载阶 段。 在弯曲力矩的作用下板材发生变形，在板材的变形区内，其内层切向受压应力， 相应地产生压应变。外层切向在拉应力的作用下产生拉应变，而板材的变形又具有 内蒙古科技大学硕士学位论文 连续性，所以板材中间必有一个切向应变为零的层面，即应变中性层，虽然在此时