（机械工程专业论文）轻型输送带辊压压花成型数值模拟.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t 0 3 2学科分类号 4 6 0 2 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 2 0 0 3 l 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名余海龙学号 2 0 1 0 0 1 0 0 3 l 获学位专业名称机械工程获学位专业代码 0 8 5 2 0 1 高分子材料成型加工 课题来源 自选研究方向 c a d c a e c a m 论文题目 轻型输送带辊压压花成型数值模拟 关键词轻型输送带，挤出复合，p v c ，辊压压花，模拟 论文答辩日期2 0 1 2 年5 月3 0 日+ 论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称 工作单位学科专长 指导教师贺建芸副教授北京化工大学聚合物加工 评阅人1张东胜副教授北京化工大学工程测试与测量 评阅人2李国昌高工燕山石化 机械设备 答辩委员蝴何亚东研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员1薛平研究员北京化工大学 聚合物加工 答辩委员2何立东研究员北京化工大学减震及密封 答辩委员3王华庆 教授 北京化工大学 故障诊断 答辩委员4颜廷俊教授北京化工大学 石油机械 答辩委员5李国昌高工北京化工大学 机械设备 答辩委员6张东胜副教授北京化工大学工程与测量 江：一 四 论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在中国图书资料分类法查询。 学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t13 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中查询。 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 轻型输送带辊压压花成型数值模拟 摘要 随着我国经济的发展，轻型输送带在工业生产中的地位越来越重 要。由于我国轻型输送带发展历史较短，大多数生产工艺较落后，生 产效率较低。挤出复合技术应用于轻型输送带的生产，能够大幅度提 高轻型输送带的生产效率和自动化程度，有明显的优势。 在轻型压花输送带挤出复合过程中，辊压压花过程为核心部分， 因此本文将着重对该部分进行研究，利用有限元软件 a n s y s l 2 1 l s d y n a ，选用非线性显式动力分析方法，对该过程进行 仿真分析，并对模拟过程中的建模、材料参数设置、载荷约束、边界 条件等前处理工作进行研究。在前处理过程中，利用消除负接触能的 方法解决负体积问题，提高计算效率。利用后处理软件l s p r e p o s t 分析计算结果，观察花纹成型过程，并通过对坯料板中的两固定节点 ( x 方向与y 方向坐标相等) x 方向位移曲线、厚度方向的位移场、 塑性应变场及有效应力场的分析，判断制件质量及成型效果。利用同 样的研究方法对花纹辊挤压量、辊压速度、辊压温度三个加工工艺参 数对于制件质量的影响进行研究。 通过对轻型输送带挤出复合辊压压花过程的仿真分析研究，掌握 辊压压花过程中物料的变形情况及运动规律，为模具设计、加工工艺 优化、制件质量提高等提供理论依据。 关键词：轻型输送带，挤出复合，p v c ，辊压压花，数值模拟 a b s t r a c t n u m e i u c a ls i m u l a t i o no fr o l l e re m b o s s i n g f o r m i n go f l i g h tc o n v e y o rb e l t a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fo u rn a t i o n a le c o n o m y ，l i g h tc o n v e y o r b e l ti sp l a y i n gam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n t h eh i s t o r yo fl i g h tc o n v e y o rb e l ti nc h i n ai sv e r ys h o r t ，t h et e c h n o l o g y o fb e l tp r o d u c t i o ni sb e h i n do ft i m ea n di t sp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yi sl o w a p p l y i n ge x t r u s i o n - l a m i n a t i n gp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yo nt h ep r o d u c t i o n o fl i g h tc o n v e y o rb e l ti sac o m p l e t e l yn e w p r o d u c t i o nm e t h o d ，w h i c hi so f h i g h 。e f f i c i e n c y ，h i g ha u t o m a t i o n ，e s p e c i a l l yh a sa no b v i o u sa d v a n t a g ei n t h ep r o d u c t i o no f s p e c i a lc o n v e y o rb e l t i nt h ee x t r u s i o n l a m i n a t i n gp r o d u c t i o no fl i g h tc o n v e y o rb e l t ，t h e r o l l e re m b o s s i n gf o r m i n gp r o c e s si st h ek e yp a r t t h i sp a p e rf o c u s e so n t h e s t u d y o ft h i s k e yp a r tb y u s i n g t h ef e ms o f t w a r e a n s y s12 1 l s d y n a t os i m u l a t ea n d a n a l y z e i t s p r o c e s s t h e n o n l i n e a re x p l i c i td y n a m i cf e ma n a l y s i sm e t h o di se s t a b l i s h e d ，a n da d e t a i l e dd e s c r i p t i o no nm o d e lc o n s t r u c t i o n ，m a t e r i a lp a r a m e t e r ss e t t i n g s ， l o a da n dc o n s t r a i n t ，b o u n d a r yc o n d i t i o n si nt h ep r ep r o c e s so fs i m u l a t i o n i sg i v e n i nt h ep r ep r o c e s s ，t h en e g a t i v ev o l u m ep r o b l e mi ss o l v e db y e l i m i n a t i n gt h en e g a t i v ec o n t a c te n e r g ya n dt h ec a l c u l a t i n ge f f i c i e n c y ， 北京化工大学硕士学位论文 c a nb ei m p r o v e d t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t si sa n a l y s e db yu s i n gt h ep o s t p r o c e s ss o f t w a r el s - p r e p o s ta n dt h ef o r m i n gp r o c e s s e si so b s e r b e d t h e p r o d u c tq u a l i t ya n df o r m i n gr e s u l t s a r ee v a l u e db ya n a l y s i n gt h e x - d i s p l a c e m e n t c u r v eo ft h e n o d e ，t h et h i c k n e s s ( x ) d i r e c t i o n d i s p l a c e m e n tf i e l d ，t h ee f f e c t i v ep l a s t i cs t r a i nf i e l da n dt h ee f f e c t i v es t r e s s f i e l d u s i n gt h es a m es t u d ym e t h o d ，t h ee f f e c t so fe x t r u s i o nq u a n t i t i e s ， r o l l i n gt e m p e r a t u r e sa n dr o l l i n gv e l o c i t i e s ，o nt h ep r o d u c tq u a l i t y a r e a n a l y s e da n d d i s c u s s e di nt h ep a p e r t h ed e f o r m a t i o ns i t u a t i o na n dm o v e m e n tr u l e so fl i g h tc o n v e y o rb e l t r o l l e re m b o s s i n gf o r m i n gi ss t u d i e db yd i s c u s s i n gt h ep r o c e d u r e s ，w h i c h c a np r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o ro p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h em o u l d ，a n d t h ei m p r o v e m e n to f p r o d u c tq u a l i t y k e y w o r d s ：l i g h tc o n v e y o rb e l t ，e x t r u s i o n l a m i n a t i n g ，p v c ，r o l l e r e m b o s s i n gf o r m i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题来源、名称1 1 2 课题背景1 1 3 轻型输送带生产加工技术研究现状及发展趋势。2 1 4 课题研究意义和研究内容3 第二章p v c 轻型输送带辊压压花成型有限元分析5 2 1 前言5 2 2 显式动力有限元分析5 2 3 基本控制方程6 2 4 轻型输送带辊压压花成型计算机模拟7 2 4 1 单位统一和基本假设7 2 4 2 模型简化7 2 4 3 单元类型选择及定义9 2 4 4 材料模型的选用及定义1 0 2 4 5 有限元模型的建立1 2 2 5 边界条件、约束和加载1 3 2 5 1 接触定义1 3 2 5 2 约束及加载1 5 2 6 负体积、沙漏控制、质量缩放等重要控制技术1 7 2 6 1 负体积控制1 7 2 6 2 沙漏控制1 8 2 6 3 质量缩放1 9 2 7 本章小结2 0 第三章辊压压花成型过程模拟结果分析2 1 3 1 辊压压花成型过程仿真结果2 1 3 2 坯料板填充状况及变形状况分析2 2 v 北京化工大学硕士学位论文 3 3 厚度( x ) 方向位移场分析2 3 3 4 塑性应变场分析2 5 3 5 有效应力场分析2 6 3 6 本章小结2 7 第四章基于有限元方法的辊压压花成型工艺参数研究2 9 4 1 前言2 9 4 2 挤压量对辊压压花成型影响分析2 9 4 2 1 加工工艺条件3 0 4 2 2 不同挤压量下模具填充状况和坯料板变形状况分析3 0 4 2 3 成型后坯料板厚度( x ) 方向位移场、塑性应变场、有效应力场分析3 3 4 3 辊压速度对辊压压花成型影响分析3 9 4 3 1 加工工艺条件3 9 4 3 2 辊压速度对模具填充状况和坯料板变形状况的影响分析3 9 4 3 3 成型后制件厚度( x ) 方向位移场、有效塑性应变场、有效应力场分析4 l 4 4 温度对辊压压花成型影响分析4 6 4 4 1 加工工艺条件4 6 4 4 2 不同辊压温度下模具填充状况和花纹变形状况分析4 7 4 4 3 成型后制件厚度( x ) 方向位移场、有效塑性应变场、有效应力场分析4 8 4 5 本章小结5 3 第五章总结及展望5 5 5 1 课题工作总结5 5 5 2 研究工作展望5 6 参考文献5 9 附录6 l 致谢6 5 研究成果及发表的学术论文6 7 v i 目录 作者和导师简介6 9 原书空白页 不缺内容 目录 c o n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1s u b j e c tt i t l ea n ds o u r c e 1 2s u b j e c tb a c k g r o u n d ： 1 3r e s e a r c hs i t u a t i o no fl i g h tc o n v e y o rb e l tp r o d u c t i o na n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y 1 4r e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea n dm a i nr e s e a r c hc o n t e n t s c h a p t e r 2t h ef e mo fr o l l e re m b o s s i n g f o r m i n g 5 2 1p r e f a c e 5 2 2t h ef e m o f e x p l i c i td y n a m i c s 5 2 3b a s i cc o n t r o le x l u a t i o r s 6 2 4t h ef e mm o d e lo f r o l l e re m b o s s i n gm o l d i n g 7 2 4 1u n i f i e du n i ts y s t e ma n db a s i cc o n d i t i o na s s u m p t i o n s 7 2 4 2s i m p l i f i e dm o d e l 7 2 4 3c h o o s i n ga n dd e f i n i t i o no f t h ed e m e n tt y p e s 9 2 4 4c h o o s i n ga n dd e f i n i t i o no f t h em a t e r i a lm o d e l 1 0 2 4 5e s t a b l i s h i n gt h ef e mm o d e l 1 2 2 5 一b o u n d a r yc o n d i t i o n s , c o n s t r a i n t sa n dl o a d i n g s 一一一一一一一l 翌 2 5 1c o n t a c td e f i n i t i o n 1 3 2 5 2c o n s t r a i n t sa n d1 0 a d i n g s 1 5 2 6n e g a t i v ev o l u m e ，h o u r g l a s sc o n t r o l ，m a s ss c a l i n g 1 7 2 6 1n e g a t i v ev o l u m ec o n t r 0 1 1 7 2 6 2h o u r g l a s sc o n t r o l 1 8 2 6 3m a s ss c a l i n g 1 9 2 7s u m m a r y 2 0 c h a p t e r3n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n a l y s i so fr o h e re m b o s s i n g m o l d i n gp r o c e s s 2 l 3 1t h es i m u l a t i o nr e s u l to f r o l l e re m b o s s i n gm o l d i n gp r o c e s s 2 l 3 2a n a l y s i so f t h ep r o d u c t sf i l l i n ga n dd e f o r m a t i o nc o n d i t i o n 2 2 i x 北京化工大学硕士学位论文 3 3a n a l y s i so f t h i c k n e s s ( x ) d i r e c t i o n sd i s p l a c e m e n tf i e l d 2 3 3 4a n a l y s i so f e f f e c t i v ep l a s t i cs t r a i nf i e l d 2 5 3 5a n a l y s i so f e f f e c t i v es t r e s sf i e l d 2 6 3 6s u m m a r y 一2 7 c h a p t e r4t h es t u d yo fr o l l e re m b o s s i n gf o r m i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s b a s e do nf e m 2 9 4 1p r e f a c e 2 9 4 2a n a l y s i so fe x t r u d e da m o u n t se f f e c to nr o l l e re m b o s s i n gf o r m i n g 4 2 1p r o c e s sc o n d i t i o n s 4 2 2a n a l y s i so ft h ep r o d u c t sf i l l i n ga n dd e f o r m a t i o nc o n d i t i o nu n d e rv a r i o u s e x t r u d e da m o u n t 一 4 2 3a n a l y s i so ft h i c k n e s s ( x ) d i r e c t i o n sd i s p l a c e m e n t ，e f f e c t i v ep l a s t i cs t r a i na n d e f f e c t i v es t r e s sf i e l d 4 3 a n a l y s i s o f r o l l e rs p e e d s e f f e c t o nr o l l e r e m b o s s i n g f o r m i n g 。- 4 3 1p r o c e s sc o n d i t i o n s 4 3 2a n a l y s i so ft h ep r o d u c t sf i l l i n ga n dd e f o r m a t i o nc o n d i t i o nu n d e rv a r i o u sr o l l e r s p e e d 一 4 3 3a n a l y s i so ft h i c k n e s s ( x ) d i r e c t i o n sd i s p l a c e m e n t ，e f f e c t i v ep l a s t i cs t r a i na n d e f f e c t i v es t r e s sf i e l d 4 4a n a l y s i so ft e m p e r a t u r e se f f e c to nr o l l e re m b o s s i n gf o r m i n g 4 4 1p r o c e s sc o n d i t i o n s 4 4 2a n a l y s i so ft h ep r o d u c t sf i l l i n ga n dd e f o r m a t i o nc o n d i t i o nu n d e rv a r i o u s t e m p e r a t u r e 4 4 3a n a l y s i so ft h i c k n e s s ( x ) d i r e c t i o n sd i s p l a c e m e n t ，e f f e c t i v ep l a s t i cs t r a i na n d e f f e ：c t i v es t r e s sf i e l d 4 5s u m m a r y c h a p t e r5c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 5 5 5 1w o r k i n gs u m m a r y 5 5 5 2p r o s p e c t 5 6 x 9 o o 3 9 9 9 l 6 6 7 8 3 2 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 5 目录 r e f e r e n c e s 5 9 a p p e n d i x ；6 1 a c k n o w l e d g e m e n t 6 5 r e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa n dp a p e r s 6 7 b r i e f i n t r o d u c t i o no f t u t o ra n da u t h o r 6 9 x i 原书空白页 不缺内容 符号说明 p v c p a p u p e a c s r p l c e p c l d p e t g t f e t d t 符号说明 聚氯乙烯p o l y v i n y lc h l o r i d e 的缩写 聚酰胺p o l y a m i d e 的缩写 聚氨酯p o l y u r e t h a n e 的缩写 聚乙烯p o l y e t h y l e n e 的缩写 锚涂剂a n c h o rc o a t i n g 的缩写 超补强剂s u p e rr e i n f o r c i n g 的缩写 可编程控制器p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r 的缩写 电子自动纠偏e l e c t r o n i cp o s i t i o nc o r r e c t i n g 的缩写 低密度聚乙烯l o w d e n s i t yp o l y e t h y l e n e 的缩写 玻璃化转变温度， 熔流温度， 挤压量，m m 时间，s 水平进给量，m m 辊压速度，r a d s o 温度， 第一章绪论 1 1 课题来源、名称 第一章绪论 本课题来源于：自选 课题名称：轻型输送带辊压压花成型数值模拟 1 2 课题背景 输送带行业发展历程 1 0 0 多年前，橡胶输送带由美国杜邦公司发明，并应用于各种物品输送。虽 然输送带发明较早，但在近半个世纪才得到广泛的应用，自2 0 世纪6 0 年代起， 随着重工业的快速发展，矿山开采、钢铁、煤炭、重化学工业以及水泥、发电等 行业对橡胶输送带的需求急剧增长【l 。5 1 。 2 0 世纪7 0 一8 0 年代，全球轻工业蓬勃发展，自动化流水生产线得到广泛应 用，输送带开始向轻薄化发展，欧洲最先提出轻型输送带的概念并研发成功，轻 型输送带的作用已经不仅仅是物料的输送，还参与到产品的生产加工过程。输送 带覆盖层的使用材质由合成橡胶扩大到p v c 、p e 、p u 等合成树脂材料，也采用 性能优异的t p u 、t p e e 等热塑性弹性体。为了适应加工过程对输送带的性能要求， 耐热、耐油、耐燃、耐潮、耐低温、耐酸碱、耐磨、抗冲击、抗滑动的多功能输 送带、花纹输送带应运而生。 总体来看，橡胶输送带的应用在过去数十年变化不大，仍然以传统的重工、 矿业为主，并根据这些行业的特殊要求向着耐高温、阻燃、高强度等方向发展； 而轻型输送带的应用领域则在不断增加，从最初的轻工电子生产流水线、建材、 交通、邮政、物流到纺织印染、烟草、印刷、包装、食品加工等，除传统的钢铁、 煤炭、电力、水泥、港口等五大行业外的其他领域目前几乎都可以使用，轻型输 送带规格有数百种之多，如图1 1 为p v c 输送带，图1 2 为p u 输送带。轻型输 送带性能和应用领域随着高分子材料改性技术的发展而不断发展。在输送带行业 内，轻型输送带正向着轻量化、安全、环保、节能的方向不断发展【孓1 0 】。 苎室兰望二塑兰竺笙兰 2 0 世纪末我国引入输送带，并引入国外生产技术生产输送带。随着近些年 输送带的快速发展，我国逐渐意识到输送带存。r 、l 匕生产中f 内霞要作用，f ：始大力 发展输送带生产技术。当前我困的经济m 处于。岛速发7 醍阶段，一、i k 自动化水。i ，的 个 唧, 征。e l 古同。- r t l t 丁t - 刎- j 食品、农产品、电予、建材、包装、物流等行j f k 的快速发展，庞 火的输送带应用市场将给国内轻型输送带行 l k 带来ft ；j c i i j 发展机遇。 1 3 轻型输送带生产加工技术研究现状及发展趋势 2 0 1 0 年，我困轻型输送带的f l j 场需求超过1 4 0 0 力j f 方干米，市场规模为 1 6 8 5 亿元。未来几年我国对轻型输送带的需求将逐年增加，到2 0 1 4 年我国对轻 型输送带的需求将达到2 0 51 万平方米，国内市场对于输送带的需要将达到2 9 亿 元。国内市场轻型输送带生产商可分为：( 1 ) 以s i e g l i n g 、a m m e r a a l 等为代表 的国外厂商，该类公司拥有独特的材料改性配方，先进的生产工艺以及一流的生 产设备，占据了国内高端轻型输送带市场。( 2 ) 以永利带业为代表的国内企业， 逐渐掌握轻型输送带生产的核心技术，但仍有许多技术及设备上不够成熟，但随 着近些年的发展，部分领域已经可以替代国外同类产品。整体来看，知名跨国厂 商凭借技术和规模优势，占据了主要高端市场，而以永利带业为龙头的内资企业 在中低端市场具有优势 1 1 - 1 5 j 。 目前我国在轻型输送带的发展上主要存在以下问题： ( 1 ) 轻型输送带的生产技术难题主要集中在加工设备、针对特殊要求的输 送带的材料改性以及输送带加工工艺三方面。由于我国输送带的生产厂商规模较 小，很难投入大量资金进行技术研发、先进设备引进，所以无法掌握相关工艺配 方和制造工艺的核心技术。 ( 2 ) 人才问题：由于我国输送带技术引进较晚，又由于在经济发展初期对 技术的不重视，主要以仿造为主，导致我国输送带专业人才不足，而输送带的加 工技术、设备、以及特种输送带的改性技术对相关人员的专业性却有很高的要求。 1 4 课题研究意义和研究内容 挤出复合技术是轻型输送带生产的最新技术，国内刚刚研制成功，将挤出复 合技术应用轻型输送带生产可大幅度提高生产效率及制品质量。本文着重分析轻 型输送带中的花纹输送带。一般输送带的覆盖胶为平面型，为了增加摩擦力，防 止输送产品滑落，于是将覆盖胶制成带有花纹图案的，即花纹输送带【1 6 2 0 1 。辊压 压花过程是花纹输送带挤出复合生产过程中的重要环节，辊压压花质量将直接影 响花纹输送带的质量，是其核心部分。在辊压压花过程中会产生许多问题，如不 同材料或不同模具加工工艺参数不同，无法全部通过实验选取，因此本文尝试通 过有限元仿真模拟方法，选取最优加工工艺参数，如挤压量、辊压速度、加工温 度等。为加工工艺和模具的最优化设计提供理论依据。 因此本文将进行以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 运用c a e 软件a n s y s l 2 1 l s d y n a ，选择非线性显示动力有限元方 法对其过程进行仿真模拟，并将对模拟过程中遇到的参数设置问题和难点进行分 析研究。利用a n s y s 后处理软件p r e p o s t 输出计算结果并对其进行分析讨论， 对坯料板上的花纹成型过程、塑性应变场、有效应力场、节点位移曲线、以及x 方向位移场进行分析，以掌握花纹辊模具中的填充情况及辊压过程的运动规律。 北京化工大学硕士学位论文 ( 2 ) 本文探讨采用有限元仿真方法的准确性，利用该分析方法尝试确定辊 压压花过程的最优加工工艺，主要从花纹辊挤压量、辊压温度、辊压速度三方面 进行模拟分析。讨论不同加工工艺下花纹的成型质量，及制品的最终性能，寻求 最优加工方法，为辊压压花模具优化设计，为轻型输送带生产的工艺参数的制定 提供参考数据和理论依据。 4 第二章p v c 轻型输送带辊压压花成型有限元分析 第二章p v c 轻型输送带辊压压花成型有限元分析 2 1 前言 轻型输送带的生产过程中，辊压复合是轻型输送带生产的关键技术之一，该 过程由辊压贴合和辊压压花两部分组成。当加工过程中塑料辊压温度较高时，辊 压贴合过程会产生很大的粘塑性，当加工过程中塑料辊压温度较低时，高分子材 料处于高弹态，在辊压贴合过程中出现不规则的弹塑性变形。坯料板变形过程是 非常复杂的变形过程具有材料非线性、边界非线性等特性，其可向各个方向变形 且变形位移很大。辊压过程十分复杂多变，在模拟过程时需综合考虑各方面因素， 因此本文将利用c a e 软件对其进行仿真模拟，为辊压压花模具优化设计，轻型 输送带生产的工艺参数的制定提供参考数据和理论依据 2 q 。 制件的成型效果需要综合考虑多方面影响因素如：花纹辊中模具形状、花纹 的尺寸及排列、花纹辊挤压量、加工温度、成型时问、和输送带所用材料特性等。 通过对坯料板中的位移场、应变场、有效应力场进行分析研究，以掌握花纹成型 情况及辊压过程的运动规律。为辊压压花模具优化设计，轻型输送带生产的工艺 参数的制定以及制件材料的选择提供参考数据和理论依据。 本章将在c a e 软件a n s y s l 2 1 l s d y n a 经典界面中先进行建模、添加载 荷约束、边界条件的设定和相关参数的修改等前处理工作，然后输出计算所用k 文件，利用l s d y n a 自带计算程序进行相关计算。将计算结果导入后处理软件 l s p r e p o s t 分析模拟结果，通过后处理软件，可利用动画模式观察坯料的完整 成型过程，对成型结果进行分析及讨论。 2 2 显式动力有限元分析 显式动力学有限元分析方法的基本方程为： m i i ( t ) + c d t ( t ) + k u ( t ) = q ( t ) ( 2 - 1 ) 式中，k 为刚度矩阵；c 为阻尼矩阵；q ( t ) 意义为节点载荷向量；m 代 表质量矩阵。 西( f ) ，西( f ) ，“( f ) 分别为节点的加速度向量、速度向量和位移向量。 在软件a n s y s l s d y n a 显示时间积分中，发现方程2 1 中各项均为时间t 的函数，因此对显示动力有限元基本方程利用中心差分法进行时间积分，通过积 分可获得t 时刻的加速度与速度表达式： 北京化工大学硕士学位论文 ( t ) = 古k ( 沪砸咄) 】 砸) = 击k ( 旷砸础) 】 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 将式( 2 2 ) 、式( 2 3 ) 代入式( 2 1 ) ，推出求解速度的递推公式： “( h f ) = 似+ z t c ) 一1 一觑( 卅2 m u ( f ) 一 似一a t 2c ) “( f ) ) ( 2 4 ) 式中，缸代表时间增量。 中心差分法是一种需要条件稳定的显式算法，因此当求解具体问题时，为了 保证算法的稳定性，应使时间步长不大于该问题求解方程性质所决定的某个临界 值a t m i n 。只有收敛的计算结果是有效的，因此在计算过程中选用变步长积分法， 变步长积分法即由当前的构形网格中最小单元边长或对角线长度确定不同时刻 的积分步长，因此为了保证计算结果的有效，应均匀划分网格并且保证无过小网 格产生。显式算法能够逐个节点进行求解而不必迭代，因此在计算过程中必将收 敛，但为了保证计算的稳定性，应尽量减小时间步长，节省模拟计算时间，提高 模拟效率【2 2 】。 2 3 基本控制方程 非线性分析连续性介质力学方程【2 3 】 ( 1 ) 动量方程 6 。j 七研l = 哦i 式中，一柯西应力； p 一介质当前密度； z 一单位质量体积力； 订，一质点加速度。 ( 2 ) 质量方程 式中，岛一初始密度； 矿一变形梯度。 ( 3 ) 能量方程 p v = p o 6 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 第二章p v c 轻型输送带辊压压花成型有限元分析 式中，岛偏应力张量； 岛一应变率张量； p 一静水压力； g 一体积粘性力。 e = 嗡岛一仞+ g ) 矿 2 4 花纹输送带辊压过程模拟 2 4 1 单位统一和基本假设 ( 2 7 ) 在程序中，进行前处理各参数设定时无固定统一的单位，因此在建模或定义 材料模型等前处理过程中必须设置一套统一的单位制度( 即先设定各基本单位的 单位制，然后利用公式相互推导出其它参数的单位) 。表2 1 为本文前处理输入 数据时所采用的统一单位制。 表2 - 1 统一单位表 t a b l e2 1u n i f o r mu n i t 在整个仿真模拟研究过程中需要做如下基本假设： ( 1 ) 在辊压成型过程中，因为花纹辊弹性模量远远大于坯料弹性模量，所 以花纹辊不会产生塑性变形，将花纹辊设置为刚性体； ( 2 ) p v c 坯料不可压缩，各向同性，仅受花纹辊辊压作用力，并忽略材料 的自重，忽略粘附作用； ( 3 ) 整个辊压成型模拟过程在等温条件下进行，不随加工过程的进行而出 现温度的变化。 2 4 2 模型简化 在实际生产过程中选用树脂坯料p v c 作为加工对象较为普遍，因此本文进 行的辊压压花成型仿真模拟选用的树脂坯料为p v c 。通过查阅相关文献资料， 对一些轻型输送带辊压过程中涉及的加工工艺参数已经具有初步的估计与设置。 在轻型输送带实际辊压复合过程中，其主体由花纹辊、支承辊及坯料板组成，其 中，上述两个辊子的具体作用分别为压制成型及支撑，在模拟过程中，为了节约 北京化工火学硕： j 学位论文 计算时间，简化动力模型，将支承辊作为约束添加，图2 1 为简化后的完整动力 模型。由于全模型较为复杂，因此只截取花纹辊的一部分接触工作平面，坯料板 只建部分加工面，简化后花纹辊工作平面及坯料板模型如图2 2 所示。 图2 1 完整模型 f i g 2 1f u l lm o d e l a b 图2 - 2 简化l ：作模型 a 一整体模7 b 压辊l ：作平面 f i g 2 2s i m p l i f i e d v o i km o d e l a - e n t i r em o d e l b - w o r kp l a n eo ft h er o l l e r 第二章p v c 轻型输送带辊压压花成型有限元分析 2 4 3 单元类型选择及定义 查阅相关文献，对于显式动力仿真分析而言，在大变形和材料失效等非线性 问题的分析过程中选用单点积分和线性位移函数的显式单元较为合理。在模拟过 程中，实际辊压工作平面可认为是具有薄壳特性的面，因此，可将简化后的花纹 压辊设置为s h e l l l 6 3 薄壳单元，如图2 3 所示；由于p v c 坯料板会产生很大的 塑性变形，因此在模拟仿真过程中将坯料板设置为s o l i d l 6 4 实体单元如图2 4 所 示 2 3 - 2 7 】。 在软件中进行前处理设置时，需为s h e l l l 6 3 壳单元定义一部分实常数，其中， 设置栏中第一栏s h r f 表示剪切因数，采用系统推荐值5 6 ；实常数设置栏中的 第二栏选项n i p ，其参数表示通过单元厚度的积分点数值，设定t = i 即最快的单 点积分值以节省计算时间提高模拟效率；各个节点处的薄壳厚度分别用t 1 t 4 表示，在进行参数设置时，如果单元厚度相同，则仅定义参数t l 即可，在模拟 过程中将t l 的值设定为1 即各点单元厚度相同，具体参数设置如图2 5 所示。 y 日 图2 3s h e l l l 6 3 单元结构 f i g 2 - 3e l e m e n ts t r u c t u r eo fs h e l l16 3 p m 图2 4s o l i d i 6 4 单元结构 f i g 2 4e l e m e n ts t r u c t u r eo fs o l i d16 4 k 户 北京化工大学硕二 ：学位论文 瞄蕊麓箨鳓鬻戮黼瀚嘲戮瑙躐戮黼戳蛰遴蕊黼萄鳓馥镒凇蕊隧黼黼自骥罐 日。t - 僻r 由。， l s h e a r f a c t o r 一叵 m d e a t n o d e g 1 a 触】o npiot001ii，l 园| t h i c k n e s sa t n o d e2 u二l 扪一乃 ； m 炯州触4 h二| o 一”。“