（机械电子工程专业论文）两面顶模具热力耦合分析与缠绕张力数值模拟.pdf

济南大学硕士学位论文 摘要 我国超硬材料行业经过四十多年的发展，已无可争议地成为人造金刚石生产大 国，金刚石年产量占世界总产量的七成以上，但生产技术含量低、产品档次不高、牌 号少，在高品级金刚石研发与生产上远落后于发达国家，属典型的大而不强。目前的 现状是，我国以六面顶装置生产中、低档金刚石为主，其产量占总量的9 8 左右，以 两面顶装置生产的高档金刚石产量只占总量的l 2 ，这就使中低档金刚石产品严重 过剩，高档产品严重不足。 国产两面顶模具相关技术与国际先进水平存在较大差距，寿命低、生产成本高， 严重制约了我国两面顶模具技术的推广、普及和发展。随着两面顶模具的日益大型化， 模具核心部件压缸的使用寿命，已成为国产两面顶技术发展的瓶颈。本课题正是 顺应国际超硬材料合成设备的发展趋势和国产两面顶模具技术发展的迫切要求而提 出并完成的。 到目前为止，国内大型两面顶模具的设计与制造技术问题一直没有得到很好的解 决。为了改善压缸的强度，延长其使用寿命，应对两面项模具的受力状况进行科学的 分析，进而对压缸预应力分布状态进行优化设计，从而改善其受力状态，确保压缸的 最佳工作性能。国内两面项模具设计方法多带有人为的经验，缺乏理论上的支持。此 外，还值得探讨的是，对于一种有效的模具预紧技术钢带缠绕预应力模具，国外 已针对其工业应用开展了大量研究，而国内几乎还是空白。 本文以两面顶模具压缸为研究对象，综合运用理论分析和数值模拟方法，以接触 问题和非线性有限元法的基本理论为基础，开展两面顶模具压缸热力耦合分析、对模 具的失效机理进行力学分析以及钢带缠绕预应力模具缠绕过程的数值模拟研究，并将 数值模拟与优化技术相结合，实现了i s i g h t 环境下压缸预紧力的优化。 第一，本文借助m a r c 软件平台建立了压缸和外层预应力环真实压装配合的有 限元分析模型，得到模具在仅受预紧力作用下的应力分布。通过与l a m e 公式理论解 的比较，验证了利用m a r c 的接触算法模拟过盈装配的可行性和适用性。 第二，本文利用f o r t r a n 语言编制m a r c 用户子程序，实现压缸温度和应力 边界条件的自动、精确加载，建立了完善的仿真模型。在此基础上，分析了压缸在工 作状态下受预紧力、内压力和热载荷相互耦合作用时的受力状况，获得了等效应力分 两面顶模具热力祸合分析与缠绕张力数值模拟 布、热应力以及接触应力各个分量的分布和变化规律。文中所做的热力耦合分析，模 拟了生产过程中压缸的实际受力情况，使得数值模拟更客观地反映了压缸的受力状 态。针对以上有限元分析结果，结合实际生产中压缸主要的三种破坏形式，从力学角 度阐明了压缸的失效原因。 第三，本文通过m a r c 软件建立了钢带缠绕模具缠绕过程的动态模型，对钢带 缠绕过程进行数值模拟，得到了钢带缠绕过程中钢带内部的等效应力、层间压力等信 息。以上研究工作对缠绕张力设计理论以及生产实践具有非常重要的意义。 第四，本文将数学规划思想引入到压缸预紧力的优化设计中，采用了有限元分析 软件m a r c 、优化平台i s i g h t ，以及自编f o r t r a n 语言程序实现了数值模拟软件 与优化软件的集成。完成了i s i g h t 引导m a r c 进行优化设计方案的修改与调用批 处理文件自动进行有限元分析，大量节约了人机交互过程，省去了以往人工反复修改 模型、然后再进行有限元分析的步骤，并最终得到了优化结果。 综上所述，本文所作的研究，可以为两面顶模具和钢带缠绕模具的设计、优化、 模型的建立等提供技术支持，对于完善相关的模具设计理论和指导实际生产具有理论 参考和工程应用价值。 关键词：两面项模具；热力耦合分析；钢带缠绕；优化；人造金刚石 i l 济南大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h r o u g hf o r t y y e a r sd e v e l o p m e n to fs u p e r h a r dm a t e r i a li n d u s t r y , c h i n ah a s u n c o n t r o v e r t i b l yb e c o m et h em a j o rp r o d u c e ro fs y n t h e t i cd i a m o n di nt h ew o r l d b y2 0 0 5 ， t h eo u t p u to fs y n t h e t i cd i a m o n dh a da m o u n t e dt o7 0 o ft h et o t a lp r o d u c t i o n h o w e v e r ， d u et ot h el o w e rp r o d u c t sl e v e la n df e w e rc a t e g o r i e s ，o u rc o u n t r y sr e s e a r c hi ss t i l l b a c k w a r d a tp r e s e n t ，t h ed o m e s t i cp r o d u c t i o ni sm a i n l yb a s e do nt h em i d d l ea n dl o w q u a l i t yd i a m o n dm a n u f a c t u r e db yc u b i ca p p a r a t u s ，a n dt h eo u t p u tr e a c h e d9 8 o ft h et o t a l a m o u n t w h i l eh i g hq u a l i t yd i a m o n dp r o d u c e db yb e l t - t y p ea p p a r a t u so n l ya c c o u n t sf o r 1 2 t h e r ei sag a pb e t w e e nt h eh o m e m a d eb e l t t y p e a p p a r a t u sa n dt h ea d v a n c e d i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s t h es h o r tl i f ea n dh i g hp r o d u c t i o nc o s ts e r i o u s l yi m p e d et h e p r o m o t i o no fb e l t - t y p ea p p a r a t u st e c h n o l o g y f o l l o w i n gt h el a r g es c a l et r e n d ，t h el i f eo f c y l i n d e rh a sb e e nt h eb o t t l e n e c k i ti sa l s oap r o b l e mn e e d e dt e c h n i c a lt a c k l i n g t h i s r e s e a r c hj u s tk e e p s u pw i t ht h ei n t e m a t i o n a lt r e n do fm a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t so f s u p e r h a r dm a t e r i a li n d u s t r y u pt ot h ep r e s e n t ，t h ed e s i g na n dp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yo fl a r g e - s c a l eb e l t - t y p e a p p a r a t u si no u rc o u n t r yh a sn e v e rb e e ns o l v e dp r o p e r l y i no r d e rt oi m p r o v et h es t r e n g t h a n de x t e n dt h el i f eo fc y l i n d e r , t h es t r e s ss t a t eo fb e l t - t y p ea p p a r a t u ss h o u l dr e c e i v e s c i e n t i f i ca n a l y s i s i nt h a tw a y , w ec a no p t i m i z et h es t r e s so fc y l i n d e ra n da c c o r d i n g l y m a k eg o o du s eo ft h ep o t e n t i a lo fd i em a t e r i a l t h ed o m e s t i ct r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o do f b e l t - t y p ea p p a r a t u si sa l w a y sf u l lo fp e r s o n a le x p e r i e n c ea n dl a c k st h e o r e t i c a ls u p p o r t c u r r e n t l y , t h ed o m e s t i cr e s e a r c ho ns t r i p - w o u n dd i ei sa l m o s tag a p l e ta l o n et h ea c t u a l p r o d u c t sa p p l i e dt oi n d u s t r y t a k i n gt h ec y l i n d e ra ss u b j e c ti n v e s t i g a t e d ，t h et h e r m o - m e c h a n i c a lc o u p l e da n a l y s i s o fb e l t - t y p ea p p a r a t u si sp u tt h r o u g ha n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fw i n d i n gt e n s i o ni s c a r r i e do u tw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i n t e g r a t i n gn u m e r i c a l s i m u l a t i o nw i t ht h eo p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g y , t h eo p t i m i z a t i o no fc y l i n d e rs t r e s si sr e a l i z e d w i t hi s i g h ts o f t w a r ep l a t f o r m t h e s em a k et h ep r e s e n ts t u d ys i g n i f i c a n tt oi m p r o v i n gt h e d e s i g nl e v e la n dp r o d u c t sq u a l i t yo fb e l t - t y p ea p p a r a t u s i i i 两面项模具热力耦合分析与缠绕张力数值模拟 f i r s t l y , t h eb a s i ct h e o r i e so fc o n t a c tp r o b l e m sa n dn o n l i n e a rl a r g ed e f o r m a t i o nw i t h f m i t ee l e m e n tm e t h o da r e g i v e n , w h i c ho f f e r t h et e c h n i q u es u p p o r tt o s u b s e q u e n t n u m e r i c a la n a l y s i s b yt h ea i do fs o f t w a r em s c m a r c ，t h ef i n i t em o d e l so fc y l i n d e ra n d p r e s t r e s s e dr i n g sa r ee s t a b l i s h e d c o m p a r e dt ot h e o r e t i c a lr e s u l to fl a m ee q u a t i o n ，t h e c o n t a c ta l g o r i t h mi nm a r c a p p l i e dt os i m u l a t es h r i n k f i ti sf e a s i b l ea n da p p l i c a b l e s e c o n d l y , t h ec o r r e l a t i v ep r o g r a m ss u i t a b l e f o rl o a d i n gb o u n d a r yc o n d i t i o n sa l e d e v e l o p e dw i t hf o r t r a n t h e n t h ed i s t r i b u t i o n so ft e m p e r a t u r ea n ds t r e s sf i e l d so ft h e c y l i n d e ri nt h ea c t i v es t a t ea r eo b t a i n e d t h et h e r m a l m e c h a n i c a la n a l y s i sn o to n l y g u a r a n t e e st h er e l a t i v i t y , b u ta l s og a i n st h ef u l ld a t ao ft h ew h o l ep r o c e s s s i n c ea l lt h o s e i n f l u e n c ef a c t o r sa r et a k e ni n t oa c c o u n ta tt h es a m et i m e ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e f l e c t s t h er e c e p t a c l es t a t u so b j e c t i v e l y b a s e do nt h ea b o v er e s u l t s ，t h ef a i l u r em e c h a n i s mo f b e l t - t y p ea p p a r a t u si sa n a l y z e d t h i r d l y , t h es i m p l i f i e dm o d e lo fs t r i p w o u n dd i e sh a sb e e ne s t a b l i s h e dt os i m u l a t et h e d y n a m i cw i n d i n gp r o c e s s t h es t r e s sd i s t r i b u t i o n sa m o n gs t e e l - s t r i pl a y e r sa r eo b t a i n e d t h ea b o v er e s e a r c hi so fg r e a ti m p o r t a n c et ot h ed e s i g nt h e o r i e si ns t r i p - w o u n dd i e sa n d t h ep r o d u c t i o np r a c t i c e f o u r t h l y , l e a d i n gm a t h e m a t i cp r o g r a m m i n gm e t h o di n t ot h eo fc y l i n d e rp r e s t r e s s ，t h e i n t e g r a t i o nb e t w e e nn u m e r i c a l s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o ns o f t w a r ei sr e a l i z e dw i t h m a r c ，i s i g h ta n df o r t r a nl a n g u a g e t h em o d i f i c a t i o no fo p t i m i z a t i o nd e s i g n p r o g r a m sa n dt h ec a l l i n go fb a t c hp r o c e s s i n gf i l e sa r ea u t o m a t i c a l l ye x e c u t e du n d e rt h e g u i d a n c eo fi s i g h t a n dt h e nt h et i m eo fm a n m a c h i n ei n t e r a c t i v ep r o c e s si ss h o r t e n e dt o al a r g ed e g r e e t h eo p t i m i z e dr e s u l ti st h u sa c h i e v e d t os u mu p ，o u rc o n c l u s i o np r o v i d e st e c h n i c a ls u p p o r tt ot h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o n o fb e l t t y p ea p p a r a t u sa n ds t r i p - w o u n dd i e s t h er e s e a r c hc o n t a i n sg r e a ts i g n i f i c a n c ei n p e r f e c t i n gt h er e l a t i v ed e s i g nt h e o r i e so f d i e sa n dg u i d i n gi n d u s t r i a lm a n u f a c t u r i n g k e yw o r d s ：b e l t - t y p ea p p a r a t u s ；t h e r m o m e c h a n i c a lc o u p l e da n a l y s i s ；s t e e l - s t r i p w i n d i n g ；o p t i m i z a t i o n ；s y n t h e t i cd i a m o n d i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：e l 期：呈堕! 笸! 兰兰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：釜遂导师签名：日期： 济南大学硕士学位论文 第一章绪论 金刚石是一种在机械、热学、光学、电子学等方面具有极限性能的特殊材料。它 具有极高的硬度、极高的热导率、高耐磨性、高防蚀能力。除此之外，金刚石的折射 率、抗辐射性也是材料之最。正是上述一系列优异的物理机械特性为它在现代科技和 工业领域中的广泛应用提供了坚实的基础。然而天然金刚石的资源稀少，远远不能满 足现代工业的需求，所以必须走人工合成的道路【l 5 】。人造金刚石属于国家鼓励发展 的高技术产品，其工业应用领域几乎涉及国计民生的各个方面，为整个国民经济发展 做出了不可磨灭的贡献【6 j 。 美国d i a m o n di n n o v a t i o n s 公司( 原g e 公司超硬磨料部，2 0 0 4 年被l i t t l e j o i n & c o l l c 收购) 和英国e l e m e n ts i x 公司( 原d eb e e r s 公司，2 0 0 2 年更名为“元素六”) 在超硬材料生产、超高压高温腔体容积、产品品种、质量以及应用技术等方面都处于 国际领先地位。他们掌握着生产高品级金刚石的先进技术，在生产中主要采用两面顶 装置，垄断了全球8 0 以上的高档金刚石贸易并控制着全球金刚石的购销和价格。 我国虽己成为人造金刚石生产大国，但生产技术含量低，产品以中、低档金刚石 产品为主，在高品级金刚石研发与生产上远落后于国外，属典型的大而不强7 1 3 1 。造 成上述差距的主要原因是我国的两面顶模具关键技术没有突破，这反映在国产超高压 高温装置的反应腔体积小，寿命低，超高压技术、模具设计理论等相关研究与国际先 进水平还存在较大差距。 1 1 人造金刚石合成设备 国内外工业生产中，绝大部分的人造金刚石是用静压触媒法生产的。静压触媒法 是指在热力学稳定的条件下，以石墨为原料、以过渡金属或合金作触媒，用液压机产 生稳定高压、以直流或交流电产生持续高温的合成金刚石的方法。转化条件一般为 5 - - - 1 0 g p a ，1 3 0 0 - - - ，2 4 0 0 。c t l 4 l7 1 。 目前，世界上使用静压触媒法合成金刚石的装置分为三大类： ( 1 ) 以美国的d i a m o n di n n o v a t i o n s 公司和英国的e l e m e n ts i x 公司为代表的年 轮式两面顶超高压高温装置( 也称b e l t 型两面顶模具) 。 两面项模具热力耦合分析与缠绕张力数值模拟 ( 2 ) 以中国为代表的铰链式六面顶超高压高温装置。 ( 3 ) 以前苏联为代表的双面凹砧式超高压高温装置。 1 1 1 两面顶超高压高温装置 两面顶超高压高温装置由美国g e 公司的h t h a l l 发明，可产生6 - - 2 0g p a 高 压，1 5 0 0 - 2 0 0 0 。c 高温【1 8 】。装置由液压机上下油缸中的活塞推动两个锥形硬质合金 顶锤向柱状叶腊石反应腔体施加压力，柱状叶腊石置于硬质合金压缸中。压缸由模具 钢制成的多层年轮环来箍紧加固。图1 1 所示为两面顶模具的结构示意图。 图1 1两面 页模具 两面顶模具因具有腔体大、保压性能好和单产高等优点，是生产高品级人造金刚 石的最佳设备。该工艺被欧美、日本金刚石厂家广泛采用，且长期为美、英等少数几 个国家所垄断。 根据采用的模具预紧技术的不同，两面顶模具可分为二种形式：一是年轮式，二 是缠绕式。年轮式组合预应力环是传统的预应力模具预紧方法，径向预紧力的大小取 决于预应力环的材料、层数、内外径以及过盈量等。缠绕式预紧结构，根据缠绕层材 料的不同，分为钢带缠绕式和钢丝缠绕式。缠绕材料分别为薄钢带和高强度弹簧钢扁 钢丝。模具径向预紧力的大小取决于钢带或钢丝的材料、缠绕层数以及缠绕张力等。 ( 1 ) 年轮式两面项模具 瑞典、美、英等国采用3 - - 一1 0 层不等的年轮环式预应力模具来生产人造金刚石， 模具从内到外依次由压缸和多层预应力环组成。这种年轮式超高压模具通过外层各预 应力环间的过盈配合，建立起预紧力来平衡由工作内压对压缸产生的影响，从而达到 理想的预紧效果。 ( 2 ) 缠绕式两面顶模具 丹麦的d a n f o s sa s 公司成功地将钢带缠绕预应力模具应用于工业生产。此类模 具采用高强度薄钢带多层缠绕在预应力模体上，以建立起与同轴预应力钢环相同的预 2 济南大学硕士学位论文 紧力。缠绕过程中通过调节缠绕张力，使模具获得理想的预应力分布，显著提高了模 具的承载能力，因此，模具使用寿命很副1 9 2 4 1 。图1 2 所示为国际专利w o0 1 5 2 9 7 7 a 1 1 2 5 1 公开的d a n f o s s s 公司申请可用于超硬材料合成的钢带缠绕式两面项模具。 北京人工晶体研究所( 现中非人工晶体研究院) 姚裕成【2 6 2 8 】等人，采用钢丝缠 绕取代模具外面受拉应力比较大的几个预应力环，自行研制了两面顶的核心装置 钢丝缠绕式g c 5 0 超高压模具。该型模具是在硬质合金压缸外采用三层钢环( 从内至 外依次为热套环、过渡环和支撑环) 与若干层钢丝同时预紧，如图1 3 所示。 图1 2 钢带缠绕式两面顶模具 1 1 2 六面顶超高压高温装置 图1 3 钢丝缠绕模具 图1 4 所示为六面顶超高压高温装置 2 9 - 3 3 】，它利用液压缸从六个方向向主机中 心同步加压，在顶锤的作用下使传压介质 形成密封的f 方体超高压腔，同时通过电 加热装置对该腔体加热，产生高温。由于 顶锤压缩行程短，高压腔有效合成体积 小，且有较多压力损耗在顶锤的相互挤压 中，不易形成长时间稳定的压力和温度， 图1 4 六面顶压机外观 因此，产品多为中、低档磨料级金刚石。 1 1 3 凹砧式超高压高温装置 前苏联致力于发展双面凹砧式超高压高温装置【3 4 1 ，它靠上、下凹砧模具自身建 立起水平方向压力，压力冲程小、调节余地不大，适合生产低档金刚石和金刚石微粉。 两面顶模具热力耦含分析与缠绕张力数值模拟 综上所述，两面顶模具合成腔体的温度场、压力场能够长时间保持稳定，适合生 长高档金刚石。利用两面项技术生产人造金刚石是西方发达国家超硬材料行业的发展 主流。我国超硬材料行业要从当前生产中低档金刚石严重过剩的现状向生产高档金刚 石方向发展，就必须依靠在生产中高档金刚石方面具有明显优势的大型两面顶设备。 1 2 两面顶模具相关技术的研究进展 1 2 1 年轮式模具预紧技术 ( 1 ) 国外研究进展 有关年轮式两面顶模具的结构、设计理论、压缸几何形状、应力分布以及边界条 件等方面的研究，国外公司视为核心技术机密，至今未检索到国外研究单位发表的年 轮式两面顶模具的技术文献。但是，国外已有许多针对多层套组合预应力模具( 例如， 冷挤压模具) 的研究，并形成了较为完整的设计理论。这种多层套冷挤压模具，实际 上是一种采用年轮式预紧技术的组合预应力模具，其结构与工作环境类似于年轮式两 面项模具。冷挤压模具的凹模，相当于两面顶模具的压缸，但其内壁承受的工作压力 要低于两面项模具( 工作压力达1 5 - - 2 5 g p a ，温度达数百摄氏度) 。因此，这种多层 套组合冷挤压模具的相关研究方法和设计理论，可以为年轮式两面项模具的设计研究 提供广义层面上的借鉴和参考。 国外对多层套组合冷挤压模具的研究工作主要集中在丹麦、日本、捷克以及韩国 等国家，研究方法多采用理论解析、数值模拟和实验研究等。 在理论解析方面，韩国的k d h u r 、h t y e o 3 5 】等人主要以轴对称平面变形为假 设，采用l a m e 公式和m a n n i n g 优化设计理论，通过应力分析，计算出年轮式组合预 应力模具各层预应力环的最佳直径分配、配合处的过盈量。但是，由于假设条件较多， 理论解析方法只能对典型的且几何形状规则的模具进行简化的定性或有限的定量分 析，获得对应力、几何形状变形等的粗略预测，很难获得模具内部的全面信息。 在数值模拟方面，韩国的k d h u r 、y c h o i 3 6 1 、m s j o u n 3 7 】等人利用a n s y s 软 件，采用刚塑性有限元法分析了年轮式组合冷挤压模具在工作状态中模具的弹性变 形。丹麦技术大学的n b a y 、葡萄牙的b p p a g o u v e i a 3 8 】等人，采用更新的拉格朗日 格式法对冷挤压模具的凹模进行了有限元分析，得到了凹模内部的应力场分布情况。 有限元法可以在综合考虑模具几何形状和多种外界因素( 例如温度、摩擦力等) 的影 4 济南大学硕上学位论文 响情况下，获得模具内部多方面的信息，例如变形、应力场、应变场以及接触压力等。 ( 2 ) 国内研究进展 国内对年轮式组合预应力模具的研究工作主要集中在清华大学、上海交通大学、 合肥工业大学、吉林大学以及长江大学等单位。+ 在理论解析方面，上海交通大学的罗中华【3 9 】等人根据l a m e 公式等理论，推导了 多层组合冷挤压模具各层的应力公式，建立了以减少模具结构尺寸为目标的优化数学 模型。吉林大学的徐虹 4 0 l 等人基于l a m e 公式确定了冷挤压模具每层材料临界屈服的 直径比和过盈量，开发了通用计算程序。合肥工业大学的王雷刚【4 1 1 等人以冷挤压模具 凹模内壁不出现拉应力、年轮环正好达到屈服点为目标函数进行了优化设计。 在数值模拟方面，济南铸造锻压机械研究所的王强 4 2 , 4 3 1 等人利用a n s y s 提供的 四节点等参轴对称单元建立了两面顶模具的压缸和顶锤工作状态下的有限元模型，提 出了“窄预应力圈”的优化设计概念。长江大学的周思柱 4 7 1 等人对两面顶模具合 成状态下年轮环的变形量、应力分布规律进行了研究。吉林大学李瑞【4 8 l 等人为传压介 质叶腊石选择了一个塑性本构模型，针对金刚石合成腔内的温度场、压力场，利用 a n s y s 对叶腊石的塑性大变形行为进行了模拟。研究发现，传压介质叶腊石塑性本 构关系的选择，将直接决定着高压腔内各物理场有限元模拟的可靠性。相近的研究还 有清华大学的黄德海【4 9 】等人利用有限元法，研究了多层组合预应力模具年轮环结构参 数对多层应力环系统安全性的影响，以降低系统应变能为目标，对年轮环的过盈量进 行了优化。合肥工业大学刘全坤【5 0 】、徐荣珍【5 1 1 、李燕【5 2 1 等人应用a n s y s 软件对扁挤 压筒组合模具的等效应力、接触压力及变形分别进行了数值模拟，得到了应力分布的 一般规律。燕山大学王匀【5 3 】等人利用a n s y s 软件对大型挤压机用冷挤压模具的预应 力环进行了研究，获得了应力以及位移的分布情况。 在实验研究方面，合肥工业大学的刘全坤【5 4 】等人用光弹实验对多层套组合冷挤压 模具凹模的内压力分布规律进行了研究，指出了利用l a m e 公式计算凹模内部应力时 所带来的误差。 1 2 2 缠绕式模具预紧技术 ( 1 ) 钢带缠绕 目前，国外对于缠绕式预应力模具的研究工作主要集中在丹麦技术大学、d a n f o s s s is t r e c o na s 等单位，他们对模具在工作状态下的应力做了理论解析和有限 5 两面顶模具热力耦合分析与缠绕张力数值模拟 元数值模拟，并开展了大量研列5 5 1 。d a n f o s s a s 研制成功了一种由可以重复利用的 缠绕预应力模体和模具冷压装配而成的新型组合模具，并已申请了专利。s t r e c o n a s 的预应力模具通过高强度薄钢带缠绕在用工具钢或是硬质合金做成的模芯上，如 图1 5 所示。在人造金刚石合成模具领域，捷克的j v r b k a 和s t r e c o na s 公司的 j g r o e n b a e k 等人对钢带缠绕两面顶模具进行了 深入的研究，他们采用厚壁筒原理，将模具结构 看作平面问题，并将钢带缠绕层简化为一个整体 ， i i 进行处理。在已知工作载荷的情况下，基于l a m ei ；。j ；： ! 。斗v 商 公式计算模具内部的应力、变形等。但是，有关，奠主 馨登： 缠绕预应力模具的关键技术涉及企业核心技术 ， 机密和经济利益，截至目前，公开发表的相关技 术文献并不多见。 图1 5 钢带缠绕预应力模具 济南大学苑立宽【5 6 】等人忽略摩擦力的影响，采用l a m e 公式分析了钢带缠绕预应 力模具在工作状态与缠绕状态下的应力状态，计算出了钢带缠绕层数，并推导出每层 钢带在缠绕过程中的缠绕张力公式。来小丽1 5 7 】等人在考虑钢带层间摩擦力的基础上， 基于l a m e 公式等理论，根据模芯材料的不同( 塑性材料、脆性材料) ，建立了钢带 缠绕预应力模具最佳缠绕数学模型，并计算得到了缠绕层数、钢带张力等结果。 ( 2 ) 钢丝缠绕 姚裕成等人研制的钢丝缠绕预应力模具采用等拉、等张、等剪三种方法计算，视 模具设计和缠绕层数而定。他们将钢丝层视作一个整体钢环，与内层环一起用l a m e 公式计算。中6 5 m m 大型钢丝缠绕式模具现己研制成功并合成出金刚石。到目前为止， 用于大吨位两面顶压机的具有我国特色的缠绕式超高压模具，在中非人工晶体研究院 已形成系列化【5 8 1 。但其模具设计理论，缠绕装置等方面的技术一直处于保密，从未公 开发表。 1 3 存在的问题 对于采用年轮式预紧技术的预应力模具，国内外学者采用的传统设计方法和理论 基础是l a m e 公式，优化方法是把模具视作均匀受压的厚壁筒，按照模具各环材料同 时达到屈服点的条件，计算出模具的最佳径比、各环的直径以及过盈量。虽然基于 l a m e 公式的常规方法为年轮式两面顶模具研究提供了广义参考，但同时这种方法存 6 济两大学硕 ：学位论文 在明显的不足之处【5 9 1 ，已有的研究成果并不能够直接应用到年轮式两面顶模具的设计 和理论研究中，存在的问题表现为： ( 1 ) l a m e 公式适用于长厚壁筒，两面顶模具压缸内腔的几何形状并不规则，而 且模具轴向尺寸较小，l a m e 公式难以描述这种由于几何形状复杂性带来的影响。 ( 2 ) 工作状态下的两面顶模具，压力并非均匀地分布于压缸内壁，这与均匀压 力作用下的厚壁筒是明显不同的。 对于钢带缠绕预应力模具，虽然国外已针对其工业应用开展了大量研究，但在模 具受力状态的数值模拟方面一直还是空白。国外的专家和学者( 如丹麦技术大学的 l s n i e l s e n 、捷克学者j v r b k a 以及s t r e c o n 公司的j e n s g r o e n b a e k 等人) 在分析 中普遍地将钢带缠绕层视为一个整体来进行网格划分，这就忽略了钢带层间摩擦力、 接触压力等复杂的边界条件特性，因而无法很好地研究钢带在缠绕过程中对模芯的作 用力以及钢带层间的受力情况。然而钢带缠绕模具正是通过精确控制缠绕过程，才能 为模芯提供一个理想的预应力。如果不对缠绕过程进行准确的分析，了解钢带与模芯 之间以及钢带层间的受力状态，那么想要建立一个理想的预应力模型便无从谈起。 1 4 选题意义 我国曾先后引进瑞典1 8 m n 、美国5 0 m n 以及德国6 0 m n 等一系列年轮式两面顶 设备，但由于技术保密、资金有限、缺乏长远战略考虑，造成主要引进硬件而国内软 件( 超高压技术、合成工艺技术) 不过关的局面，模具使用寿命很低。这也是进口两 面顶设备未能发挥优势，没有产生经济效益的根本原因【6 0 6 2 。而国内对两面顶设备 及模具进行研究的企业和科研院所比较少，这从一方面又极大滞后了国产两面顶模具 技术的推广和发展。 目前，国外两面顶模具合成腔体采用内径巾1 0 0 - - ，1 3 0 m m 压缸，高压腔容积达 6 0 0 - 一1 0 0 0 c m 3 ，压缸寿命可达3 0 0 0 次到4 0 0 0 次。而国内两面顶模具合成腔体积仅为 国外的几分之一甚至十几分之一，压缸平均寿命1 1 0 0 测6 3 “刀。因此，随着国际上两 面项模具日益大型化的发展趋势，对国产两面顶模具技术的发展提出了迫切要求。 大型两面顶模具的研制，与国家的综合经济实力、工业发展水平的提高紧密相连， 涉及超高压技术、硬质合金、合金钢、热处理、机械加工、模具技术等多个工业领域， 研究的难点在于合成时所用材料长期处于强度的超临界状态。两面项模具的工作条件 极其恶劣，表现在高温、高压，重复合成加载引起的应力、应变以及温度、压力的周 7 两面顶模具热力耦合分析与缠绕张力数值模拟 期性变化所导致的疲劳破坏。在现有的两面顶模具材料和加工技术的基础上，欲使模 具获得更高的使用寿命，就必须揭示其在工作状态中的受力情况，从而对模具的设计 理论和实际生产给予理论方面的技术支持。 1 5 主要研究内容 无论年轮式还是缠绕式两面顶模具，硬质合金压缸是两面顶模具中的核心元件， 也是装置中的主要受力部件和消耗品，直接影响着金刚石生产的成本、效率，乃至质 量。引起压缸破坏的因素较多( 例如压缸所承受应力水平、硬质合金材质及加工工艺、 合成过程中的爆炸冲击等) ，本文的研究仅以压缸为研究对象，对压缸的应力状态进 行热力耦合分析，从力学角度阐明压缸的失效原因。同时，开展钢带缠绕预应力模具 动态缠绕过程的数值模拟，以及压缸预紧力的优化设计。研究工作包括以下几个方面： ( 1 ) 对压缸和外层预应力环的压装配合进行动态模拟，得到模具在仅受预紧力 作用下的应力分布。 ( 2 ) 通过对有限元软件m a r c 的二次开发实现压缸温度和应力边界条件的自 动、精确加载，进行压缸合成状态下的热力耦合有限元计算，研究合成状态下压缸温 度、应力等场量的分布和变化规律。针对压缸各应力分量的有限元计算结果，结合实 际生产中压缸主要的三种破坏形式，从力学角度阐明压缸的失效原因。 ( 3 ) 建立钢带缠绕模具动态缠绕过程的分析模型，对钢带的缠绕过程进行数值 模拟，获得钢带缠绕层间的受力以及钢带与模芯的接触压力的分布情况。 ( 4 ) 建立压缸预紧力优化模型，采用优化平台i s i g h t 与有限元软件m a r c 相 集成，对压缸的预应力状态进行优化。 8 济南大学硕十学位论文 皇曼曼! 曼曼鼍曼曼曼曼曼i ；一i i ii ii l i i 曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼量量 第二章数值模拟的理论基础 现代产品的设计与制造正朝着高效、高精度与低成本方向发展，传统的计算分析 方法远远不能满足要求。计算机辅助工程c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 成为一 种缩短产品开发周期、提高设计质量和降低开发费用的有效手段，在许多行业中己成 为产品设计和制造流程中不可逾越的一种强制性的工艺规范。有限元数值模拟是 c a e 技术的重要分析方法之一，能够在保证精度的前提下处理复杂的边界条件和多 种材料模型，预测材料内部的应力、应变分布以及工艺参数对模型的影响，现在不仅 仅作为科学研究的一种手段，在生产实践中也作为必备工具而得到普遍应用嘲o l 。 目前，国外上推出了一些大型通用程序和专业程序的商业有限元软件，在使用这 些软件解决工程问题时，必须对数值方法、力学理论和有限元方面的知识有较深入和 广泛的了解。本文是采用接触问题的有限元法模拟两面顶模具预应力环与压缸的冷压 装配、采用热力耦合有限元法模拟两面项压缸合成状态下的受力状态，以及采用非线 性有限元法模拟钢带缠绕模具动态缠绕过程，因此本章对接触问题有限元理论、热力 耦合有限元理论、非线性有限元理论以及m a r c 软件对接触、热力耦合、非线性等 问题的处理方法进行了阐述。 2 1 接触问题 接触问题【7 l 】需要准确追踪接触前多个物体的运动以及接触发生后这些物体之间 的相互作用。自19 7 0 年w i l s o n 和p a r s o n 对二维弹性无摩擦接触问题的有限元解法进 行研究以来，许多学者提出了针对特定接触问题的有限元解法，例如求解带库仑摩擦 弹性接触的载荷增量法等。接触问题的各种处理方法可以归纳为二种，一是在相邻的 区域节点间采用接触单元，二是在相互运动表现为接触时，采用节点自动耦合。两面 顶模具压缸和预应力环过盈配合所产生的预紧力完全靠相互作用的接触力来完成，因 此接触力的计算精度直接影响有限元分析的计算精度。求解接触力首先要求计算出给 定时刻的实际接触面，这就是所谓的接触搜寻问题。接触搜寻就是要在给定时刻找出 所有处于接触状态的有限元节点，以便计算这些点上的接触力和摩擦力，这本质上是 一个几何计算的过程，同时具有十分重要的力学意义。 9 两面顶模具热力耦含分析与缠绕张力数值模拟 2 1 1 接触界面条件 ( 1 ) 法向接触条件：法向接触条件是判定物体是否进入接触以及进入接触后应 该遵守的条件。此条件包括运动学条件和动力学条件二个方面。不可贯入性是接触面 问运动学方面的条件，是指接触体问的位形在运动过程中不允许相互贯穿( 侵入或覆 盖) ；法向接触力是接触面间动力学方面的条件，在不考虑接触面间的粘附或冷焊的 情况下，它们之间的法向接触力是压力。 ( 2 ) 切向接触条件：切向接触条件是判断已进入接触的二个物体接触面上的具 体接触状态，以及他们各自应遵循的条件。 2 1 2 接触力的计算 接触力的计算有三种基本方法：拉格朗日乘子法、罚函数法以及直接约束法。 ( 1 ) 拉格朗日乘子法是通过拉格朗日乘子施加接触体必须满足的非穿透约束条 件的带约束极值问题描述方法，它是一种精确的接触力算法，但与显式算法不相容， 要求特殊的数值处理。 ( 2 ) 罚函数法是一种施加接触约束的数值方法，