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贵州大学2 0 0 5 级硕1 ：研究生学位论文 冷拉伸滚压加工工艺研究及数值仿真 摘要 本文阐述了一种新的塑性成形方法一“冷拉伸滚压”成形技术。该技术是在常温条件 下，对台阶轴、杆状零件径向滚压的基础上，辅之以轴向拉伸，以“拉伸一滚压”复合加载方 式，实现零件的塑性成形。 冷拉伸滚压是一个复合工艺参数的加工过程，材料的综合性能与工艺参数密切相关，而 且每个工艺参数之间也有着密切的联系。所以有必要对冷拉伸滚压设备加工工艺参数进行深 刻的分析，整理和完善零件既能成形又能提高材料性能的工艺参数。本文的主要内容如下： 阐述了冷拉伸滚压成形装备样机总体结构和各部分功能：阐述了基于l s d y n a 下冷拉伸滚 压仿真的理论基础；用有限元数值模拟冷拉伸滚压整个成形过程，分析材料变形过程中的应 力、应变状态，分析其内部现象、滚压力，模拟在小拉力情况下加工过程的滚压力，为以后 改进设备提供可靠的工艺试验参数；对冷拉伸滚压设备加工过程及工艺参数进行了研究。 研究表明，用有限元模拟冷拉伸滚压的成形过程的滚压力与实际滚压力进行对比，说明 了有限元仿真的可靠性，从而避免了为后期改型设备工艺参数的设定的盲目性；应变、应力 最大值随加工时间的变化逐渐过渡到材料中心处；冷拉伸滚压成的辅助拉力对材料的性能影 响不大。材料成形后表面质量，粗糙度比传统加工成倍提高。冷拉伸滚压成形技术有可能作 为一种通用性的塑性加工成形方法加以推广应用。 关键词：有限元，数值模拟，工艺参数，辅助拉力，l s d y n a 图书分类号：t h l 6 4 贵州大学2 0 0 5 级硕j j 研究生学位论文 t h es t u d yo fp r o c e s s i n g c o ldr o lli n g c r a f to ft e n si o n - a s sis t e d a n ds 1 m u 上a t l o n 1 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dan e wp l a s t i cf o r m i n gm e t h o d t e n s i o n a s s i s t e dc o l dr o l l i n g f o r m i n gt e c h n o l o g y ，t h et e c h n o l o g yt h a tl o a d sa x i st e n s i o no i lt h ep a r tb a s i so nr o l l i n g t h ep a r ti nr a d i a ld i r e c t i o nu n d e rt h en o r m a lt e m p e r a t u r e ，u s e dt ot h ep l a s t i cf o r m i n g o fs t e p p e da x i sa n dr o d s h a p e dp a r t t e n s i o n a s s i s t e dc o l dr o l l i n g f o r m i n gi sp r o c e s s i n go fc o m p i e xt e c h n i c a l p a r a m e t e r s ，t h em a t e r i a lp r o p e r t i e sa n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r sa r ec l o s e l yr e l a t e d ， b u ta l s ob e t w e e ne a c ht e c h n i c a lp a r a m e t e r sa r ec l o s e l yr e l a t e d t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt od e p t h a n a l y s i sp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so ft e n s i o n a s s i s t e dc o l dr o l l i n g ， o r g a n i z ea n dp e r f e c tt h et e c h n i c a lp a r a m e t e r st h a tp a r t sb ef o r m e de a s il ya n d t h e p e r f o r m a n c eo f t h em a t e r i a lc a nb ei m p r o v e d t h em a i nc o n t e n t sa r e a sf o ll o w s ： i n t r o d u c e dt h es t r u c t u r ea n df u n c t i o nt h a tt e n s i o n a s s i s t e dc o l dr o l l i n ge q u i p m e n t ： e l a b o r a t e dt h et e n s i o n a s s i s t e dc o l dr o l1i n go ft h et h e o r e t i c a lb a s i sf o r s i m u l a t i o nb a s e do nt h el s d y n a f e mn u m e r i c a ls i m u l a t e dt h ee n t i r ef o r m i n g p r o c e s so ft e n s i o n a s s i s t e dc o l dr o l l i n g ，a n a l y s i so fd e f o r m a t i o no fm a t e r i a l si n t h ep r o c e s so fs t r e s sa n ds t r a i n ，a n di t si n t e r n a la n a l y s i so ft h ep h e n o m e n o n ，t h e r o l l i n gp r e s s u r e ，a n d s oo n ，s i m u l a t e dp r e s s u r et h a ti nt h ec a s eo f s m a l l r a l l y ，p r o v i d e dar e l i a b l et e s tp a r a m e t e r sf o rt h ei m p r o v e m e n to fe q u i p m e n tf o rt h e p r o c e s s t h ep r o c e s s i n go f t h et e n s i o n a s s i s t e d c o l dr o l l i n gf o r m i n ga n dp r o c e s s p a r a m e t e r sh a v eb e e n s t u d ie d r e s e a r c hs h o w s t h a tt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no ft e n s i o n a s s i s t e dc o l dr o l l i n g f o r m i n gp r o c e s s sr o l l e rp r e s s u r ea n d t h ea c t u a lr o l l e rp r e s s u r ec o m p a r i s o ns h o w s t h a tt h er e l i a b i l i t yo ff e m t h u sa v o i d i n gm o d i f i e de q u i p m e n tf o r t h el a t t e rp a r t o f t h ep r o c e s sp a r a m e t e r ss e tb yb l i n d n e s s ：m a x i m u mv a l u eo f t h es t r a i na n ds t r e s s t r a n s i tt ot h em a t e r i a lc e n t e ra l o n g w i t ht h ep r o c e s sp e r i o dg r a d u a l l y ；a u x i l i a r yr a l l y i i 贵州大学2 0 0 5 级硕士研究生学位论文 o ft h et e n s i o n a s s i s t e dc o l dr o l l i n gf o r m i n gh a sal i t t l ee f f e c to nt h em a t e r i a l p r o p e r t i e s m a t e r i a lf o r m i n gt h es u r f a c eq u a l i t y ，r o u g h n e s sh a v ed o u b l e de n h a n c et h a n t r a d i t i o n a lp r o c e s s i n g t e n s i o n a s s i s t e dc o l dr o l l i n gf o r m i n gt e c h n o l o g ym a yb eu s e d a s ag e n e r a ls h a p eo f t h ep l a s t i cp r o c e s s i n gm e t h o dt ob ea p p li e d k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t e c h n i c a lp a r a m e t e r s a u x i l i a r y r a ll y ，l s d y n a c l a s s i f i e di n d e x ：t h l 6 4 i i i 贵州大学2 0 0 5 级硕： 二研究生学位论文 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。 对本文的研究在做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：羔之三乙狂 i 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、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阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 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：导师签名 贵州大学2 0 0 5 级硕1 j 研究生学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及国内外研究情况 随着塑性成形技术在冶金、机械制造业领域的应用的成熟，以及人们的不断探索，如楔 横轧、辊锻、旋压、环辗和摆辗等塑性成形技术在2 0 世纪5 0 年代逐渐发展起来了，特别是楔 横轧工艺，以其独特的优点引起了人们的注意，这一轴类零件新成形工艺，与传统的锻造、 切削工艺相比有工作载荷小、效率高、节材节能、产品精度高、易于实现机械化自动化生产 等优点。所以该技术日益受到人们的重视，被广泛地应用于汽车、拖拉机、摩托车、发电机 上的轴类件和连杆件的生产中。然而楔横轧工艺也存在不少缺点，如通用性差，需要专门的 设备和模具，而且工艺复杂，大多数情况下需要对工件进行预加热，几乎不能在常温下对工 件进行大变形率的成形加工。 冷拉伸滚压成型正是针对以上的问题而形成独具特色的加工零件的设备。原理就是对工 件不进行切削加工b h 驯，使工件受两端径向方向受挤压，在轴向方向施加一定的辅助拉应力， 使其它的内部晶粒组织发生变化，使其成型后的内部组织发生根本的变化。在整过加工过程 中，滚轮和工件之间的摩擦力驱动工件与滚轮同线速度旋转，而滚轮的进给位移使被加工零 件达到预期要求的尺寸。而对于这样的设备的研制和应用，在国外都还正处于研究和提高材 料性能的阶段，所以用冷拉伸滚压设备加工零件目前在国内也是处于开发研究阶段。 如图卜l 所示为滚压拉伸设备滚轮加工螺栓光杆部分原理图。即在工件的径向两侧进行滚 压的同时，给螺栓的轴向方向施加辅助拉力，在单位时间内完成工件的加工。这里，需要特 别强调，冷拉伸滚压成形技术仍然是以滚压为主，滚压才是成形的主要手段，轴向拉伸在材 料成形过程中仅起辅助作用，并非是利用拉力将材料直接塑性拉长。但是辅助拉力仍然是冷 拉滚压成形技术中的一个重要因素，因为拉力大小的选择关系到滚压加工是否成功，而且还 会影响到滚压加工后才材料性能的好坏。 同时，本文采用l s d y n a 等计算软件和弹塑性有限元法n 7 h 引7 ，针对冷拉伸滚压的成形实验 建立了相应的数值仿真计算模型。采用与实验相同的工艺参数对光杆螺栓进行了一系列的模 拟计算，验证计算模型和计算方法的可行性，并对计算结果进行了对比分析。借助计算机和软 件来设计和优化产品零件的结构和工艺、预测成形缺陷、监测和控制成形过程是当今机械行 业阳儿引，成形技术发展的必然趋势。c a e 过程数值模拟的精度在大多数情况下已被工程应用所 接受，成形载荷的计算误差随零件的复杂度而异1 ，一般为5 1 0 左右：而对冷拉伸滚压 成型技术的模拟分析实属鲜见。 贵州人学2 0 0 5 级硕。l j 研究生学位论文 图1 - 1 螺栓光杆部分拉伸滚压原理 1 2 滚压拉伸塑性变形原理乜3 1 9 1 根据现代塑性成形理论，金属材料塑性变形过程中所受应力状态，是影响材料塑性变形 特性和材料成形后力学性能的关键因素，通过对金属材料多个方向施以优化组合的复合加载 方式，可以合理控制材料的应力偏量和静水压力状态，使材料变形过程中的塑性特性得以充 分扩展，并按照预期的形式及方向产生变形，同时明显改善成形件的力学性能幢。要使材料 产生塑性变形，必须满足： ( g i 盯：) 2 + ( 盯：q ) 2 + ( 吒盯，) 2 = 2 ( 1 - 1 ) 1 ) 如果q 、0 2 、c r 3 中任意两项之差满足0 o i o - 3 嘎( i - 1 ，2 ，3 ；j 2 1 ，2 ，3 ) 时 假设有0 q - o 3 吒，则 即， 所以，有 ( q o - 2 + o - ：吒) 2 ( 1 - 2 ) ( q 一吒) 2 + ( 吒q ) 2 + 2 ( q 吼) ( 呸吒) 蠢 l - 3 ) 2 贵州大学2 0 0 5 级硕士研究生学位论文 ， ( 0 1 一吒) 2 + ( q c r 2 ) 2 + ( c r 2 一吒) 2 + 2 ( q 又因为有0 0 1 0 3 吒，所以 2 ( q c r 2 ) ( 仃2 一吼) 2 一( 1 - 4 ) 一仃2 ) ( 0 - 2 一仃3 ) 0 所以，综合式卜4 ，卜5 所得，只有当0 - l = 0 - 2 或者0 - 2 = 吧时，等式卜1 方才成立 2 ) 如果o i 、0 2 、0 3 中任意两项之差满足q q 以( f = 1 ，2 ，3 ；= 1 ，2 ，3 ) 时 假设有q o - 3 以，则 即， 所以，有 ( q 盯：+ c r 2 巳) 2 ( q 吒) 2 + ( c r 2 一吒) 2 + 2 ( q 一仃：) ( 0 - 2 - c r 3 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) ( o l 一0 32 + ( 0 - 1 一c r 2 ) 2 + ( c r 2 一巳) 2 + 2 ( q 一吼) ( c r 2 一巳) 2 z ( i - 8 ) 又因为o i 一0 3 哌 0 ，所以仍然有 也即 2 ( q 一) ( 吒一) o ( q 一吒) 2 + ( q 一0 - 2 ) 2 + ( 盯：- 0 3 ) 2 - - 2 ( o , 一c r 2 ) ( c r 2 一吧) 】2 所以当q q 吒( f = 1 ，2 ，3 ；j = l ，2 ，3 ) ，q 、0 2 、巳取适当数值时，等式卜1 成立 ( 1 9 ) 由于( q 吼) 2 o ，( 0 2 q ) 220 ，( 吒q ) 220 ，所以我们仅讨论q - - 0 - j o 的情况，而 q q 0 的情况，由于平方关系，与上述讨论相同。 所以，整理得，当满足条件 贵州大学2 0 0 5 级硕r 斗j 研究生学位论文 q q 吒( f = 1 ，2 ，3 ；j = 1 ，2 ，3 ) 金属就产生塑性变形。 冷拉伸滚压加工中，由丁滚轮与：【件的接触面积与l | 件表面积相比要小的多，加工时滚 轮直接压入工件，此时会受到接触面周围材料的挤压，从而使工件与滚轮接触面附近的材料 应力状态表现为三向压应力。虽然如此，辅助轴向拉力能够大幅减小材料轴向上的主压应力， 从而使应力偏量仍然指向我们所期望的方向。同时，因为静水压力越大金属的塑性越好，所 以在二向压应力和一个拉应力的作用下不但利于愈合塑性变形过程中产生的各种损伤，而且 更利于发挥金属的加工塑性。 由此可知，三向压缩和两向压缩一向拉伸主应力状态的塑性加工方式，都有利于发挥金属 的塑性，冷拉伸滚压加工中最主要的应力状态正是这两种。但是第一种情况表现为三向都有 很高的正压力，很难使工件实现大变形的塑性要求。若在滚压的同时，辅之以轴向拉伸( 即 两个压一个拉的应力状态) ，如图1 - 2 所示为拉伸一滚压复合加载应力状态，不但降低了滚压 轮上所需的压力，对加工设备的要求大幅度下降，同时还保证了产品的加工质量。相比金属 切削加工，冷拉伸滚压加工一次成形，加工周期显著缩短，材料利用率大幅提高，材料的组 织性能得以改善。因此合理的“多向复合加载”是改善金属塑性成形条件的有效途径。 简单滚压 + 简单拉伸 图1 - 2 拉伸一滚压复合加载应力状态 拉伸滚压复合 1 1 - - 02 1 1 3 研究内容 冷拉伸滚压成型设备的研制成功，标志着一种新型的特殊加工方式的诞生，所以有必要对 现有的成型设备的加工工艺过程进行分析，经过反复的实验验证来确定加工工艺参数的选择 来满足我们材料性能的要求。同时本课题以三维动态有限元计算分析软件l s d y n a 软件为计 算工具，分析冷拉伸滚压成形过程，与实验结果对比分析，然后完善全套技术。本课题主要研 4 贵州大学2 0 0 5 级硕一l j 研究生学位论文 究以下几个方面： l 选择实验加工的工艺参数，用有限元数值仿真冷拉伸滚压过程，分析其加工= 过程应力、应 变、滚压力等变化规律，与实验过程进行对比分析。同时研究冷拉伸滚压试件的内部现象及 缺陷 2 对冷拉伸滚压加工过程进行分析、对复合加工工艺参数进行分析。 3 拉力和材料性能关系分析 4 有限元仿真分析加工过程中出现的问题。 女h 学2 0 0 5 级m ，性学t i 第二章冷拉伸滚压设备阐述 21 设备研制过程 针对金属制品、航空航天、汽午零部件、机械基础仆、特种高强度紧同什等行业对 形拄术及装备的需要。我省0 1 l 、0 6 1 、0 0 3 三人军i 圾地方制造业在装备制造及其配 仆领域已经形成了一定规模，但对丁我国航空航天等重要行业对标准紧固什要求的高性 高可靠性技术上没有形成突破缺少具有核心竞争力的整机装备，因此人力开展金属 复合加载净成形技术及装备的研发及其产业化，对盘活我省制造业人量存量资源，健进 鼹上全国经济发展步伐具有重要意义。所以在导师的带领f ，针对高强度、高性能螺栓 型设备进行了研究和开发而“冷拉伸一壤压”成形是创新技术，目前还没有与该项技 适应的设备为了对“玲拉伸一壤压”成形技术进一步研究并应用于生产必须研制专用 各。在前期技术研究和试验的基础上，开展了“冷拉伸滚压”复台成形缝备研发。2 0 ( 到2 0 0 8 年通过与南海机电产学研台作、通过设备总体方案论证、结构设计、零件设计、 系统设计、霉部件制造、控制元器件选型采购、设备组装、软件二次开发、设备调试等 研制出了样机。如图2l 所示为研制成型设备。 囤2 - l ( a ) 设备照片 女学2 0 0 5 l f 兜生学位论女 囤2 i ( b ) 设备照片 蛊 学2 0 0 3 级m 研究生学位论女 22 玲拉伸滚压成型装备总体结构及功能阐述 22 1 冷拉伸总体结构 冷拉伸滚压成形装备主要由拉伸加载系统、两组径向加压系统、滚压轮系统、液压系统 控制系统等组成如图22 所示 圈2 - 2 “挎拉1 甲壤j | 主”成彤装备不葸幽 冷拉伸滚压成形装备的加载系统主要实现滚压过程中对不同拉力变化以及快进，快退、 停i t 等动作的要求，设备利用液压伺服驱动实现了轴向拉伸及控制。 两组径向加压系统主要实现滚压过程中径向进给、快进、快逗、停止等动作，设备通过 伺服电机、减速器、滚珠丝杆、滚动导轨等实现径向加压及控制。 两个滚压轮通过变频器、电机、减速器、齿轮等驱动实现对工件的滚压 设备的运转通过控制系统控制采用数显触摸屏操作，直观方便。 22 2 辅助拉伸加载系统功能原理阐述 辅助拉伸部分主要由液压源、液压缸、i 瘦压螺纹杆、螺纹杆连接轴、压缩弹簧、传感器、 锥套、滑套、连接轴、夹头等组成。 如图23 所示为拉伸加载系统，主要工作原理：夹头夹持上f 件，通过液压螺纹杆与螺纹 杆连接轴连接当油缸处下自由状态时，弹簧力的作用力使螺纹连接轴与锥套紧贴在一起- 当 施加拉力时螺纹杆连接轴在拉力的作用下与锥套脱开( 这样就避免了试件旋转和液压杆移 动互相干涉的问胚) ，然后带动滑套移动，滑套的移动带动了与试什相连的连接轴一起移动。 盘太# 2 0 0 5 倾l 究生 位论女 从而实现试件的拉伸和回退的i 作，实现摧个加【：过程 图23 拉伸部分系统 22 3 径向加压系统结构原理 如图所示为径向加压系统，主要由伺服电机、减速器、联轴器、压力传感器、滚珠丝杆副 滑动导轨组成。 图2 - 4 径向加压系统 工作原理：伺服电机通过减速器的减速、增加扭矩和联轴器的连接传递驱动力给滚珠丝 杆，滚珠丝杆副变圆周遥动为直线运动。在滑动导轨直线导向的作用下，驱动依靠支撑架与 滚珠丝杆副相连接的滚轮刀具使滚轮沿试件径向方向做前后移动实现整个加 过程。在 此过程中，伺服驱动器和伺服电机通过电机尾部的旋转编码器构成闭环控制进行速度环和 位置环的控制。在滚轮框架上安装位移传感器一光栅尺使控制嚣与滚轮之间进行全闭环的 口 2 0 0 5 女m1 日 r 也论立 位移控制。 224 滚压轮驱动系统 滚压轮部分主要组成：电机减述器、链轮、传动齿轮、滚压轮支撑架、滚压轮刀具。如 图所示为凄压轮加i ：部分照片。 t 作原理：通过径向加压系统推动滚压轮按一定空程速度进给接近试什，同时样机f 部 的主轴电机减速器通过传动链轮、齿轮传递动力给滚压轮，驱动壤压轮圆周转动。然后滚轮 以加工速度进给到程序设定尺寸在滚压轮与试什之间摩擦力作用下，带动试什圆周转动， 使试件滚压成形，成形后滚轮圆整再分段回退完成整个加t 过程。 圈2 - 5 滚压轮部分 滚压轮驱动系统结构简单，传动方便，滚压试件表面光滑，精度高等特点。在滚轮框架上 安装位移传感器一光栅尺，使控制器与滚轮之间进行全闭环的位移控制。如图2 - 6 所示闭环 控制原理。 贵州火学2 0 0 5 级硕研究生学位论文 2 - 6 滚轮进给闭环控制原理 实验加工的工件直径在l 卜1 4 删范围内，加工工件的位移在材料直径变形率的4 0 以内 ( 变形率超过4 0 ，工件塑性变形达到极限，导致起皮) 。加工精度要求在0 o l m m 以下；加工 的过程中要求有工进速度、加工速度以及回退速度，需要频繁变速：加工的材料是高硬度材 料，加工时需要输出大转矩。所以控制系统需要精确定位的光栅尺，需要频繁调速、需要输 出大转矩的电机。 2 3 控制系统介绍 “冷拉伸滚压”成形装备样机的控制系统主要由两大部分组成：主控制系统部分和拉伸 电、液伺服系统部分，两部分通过计算机通讯实现联动控制。 2 3 1 主控制系统部分 根据工艺过程见图2 - 7 ，实现整机的逻辑和运动控制、径向加压伺服驱动、滚轮旋转变频 驱动等功能。 贵州大学2 0 0 5 级硕，l ：研究生学位论文 图2 7 工艺过程流程图 径向加压控制系统由于要求位移控制精度要求高，采用了伺服驱动、闭环控制方式，如 图2 8 所示为主控制系统配置图。伺服控制系统通过伺服电机电机尾部的旋转编码器构成速 度环和位置环控制，同时，考虑到传动系统的误差、零部件在加压后的变形等因素， 设置了 高精度的光栅尺，使径向的位移精度得到保障。 具体产品选用s i e m e n s 运动控制器s i m o t i o nd 4 2 5 ，驱动器s i n a m i c ss 1 2 0 ，伺服电机 1 f k 71 0 0 。 s i e m e n s 的运动控制器与伺服控制器集成在一起，且其传感器的传输线均采用s i e m e n s 的 1 2 贵 2 0 0 5 镕| 兜 论女 专州通讯线d r i v ec l i q ，使数据传输时钟同步性较高，避免了闻采j 不同厂家产品而出现的 接口问题为整个系统减少负担，减少故障点，降低故障率。 s i e m e n s 的运动控制器提出机电一体化方案：借助机械元件及电子元件的特点，由运动 控制软十j ：实现机器的功能。机械元什是基本的传动机构，电子元仆是伺服系统。运动控制软 件是s i e m e n s 运动控制软件s c o u t 。 l 【? 】 一， “。：，一 ：器。搿? ”“ 目28 主控制系统配置图 s i e m e n s 的运动控制器功能多样，无论是对普通异步电机的矢量控制还是对同步电机的伺 服控制都有一整套控制方案：从简单的速度轴控 t j n 复杂的多轴电子凸轮插补从几个轴的 同步运行到上百根轴的高精度角同步都细致部署。使其应用范围广泛。运动控制软件s c o u t 功能强大，其中包含硬件组态的系统配置、驱动器的规划、驱动器调试( 不仅可以设置电机 的速度，还可以将减速比和螺距换算后直接计算加工最前端的速度和位移) ，测试和诊断， 凸轮编辑器。 躅2 - 9 所示是通道负荷测量和采集 该控制系统核心是采用t i 公司的2 4 0 系列d s p 器 什构成的全数字测控器，它设计成标准i s a 总线卡的形式安装在“r 业控制计算机的插槽内， 州 学2 0 0 5 倾iq 究 口女 与计算机一起构成完整的伺服控制系统。该删控 上集何移放人器、负荷放人器、变形放人 器、伺服驱动器币ld s p 控制器等于一体，采州删口r a m 自 c p l d 等大规模可编程器什- 使系统 高度集成化。该控制器具有位移和负荷两种控制方式，两种控制方式可在油源开启的情况f 进行转换。主要作片4 是针对进给系统左右轴的两路负荷测量。 图2 - 9 通道负荷测量和采集卡 2 32 拉伸电、液伺服系统部分 对于轴向拉伸部分一方面要满足装、卸工件快进、快退，拉伸加载、卸载等工艺过 程控制要求，另一方面，还需根据不同工件尺寸、材抖、热处理，加工过程尺寸变化等条件 实现参数控制的要求。因为液压控制系统在很大的负荷下工作，而且控制简单t 操作方便， 而伺服电机控制精度高为此，抟拉伸渡压设备采用专用的渡、电伺服驱动系统。通过工业 控制计算机、力、位移传感器。信号采集系统等组成电、液伺服控制系统控制轴向拉伸力 及动作实现参数控制厦工艺过程要求。 h 2 0 0 5 级顺i 。研究生学位论女 堂噎：矗堕； _ _ _ 圈_ 豳l m l 一二一 _ 一_ 圈_ 硼一i 恤) l 一一_ - 一 l - f 宵! o 钮i 嚣镪藩鞘鞘辩攀粼 ；耩莲i ；i 毒r 蔓：斑雏瓣 - 舞鞋j ：静r 。1 毽，。摹。穰 i 竺到辫每躺纂鬻纂媸簧 # n 皇兰 岛 。* ，l 藩j 豢潮嚣蓬霾蒸 謦 廿 f r 到l 霸 一 1：臻 高寰帮囊 警媾瑶j 剿豫謦峰穗蚓 喜凹 弘到!掣磊善氍舞婆 鬟羼鼯舞强鳝器 嚣 塌 量 i 。肛l ；j ￥j 一岂+ - j t 等”0飘“刖l 一 i t -龠：_ 一 蚓2 一i o 液压控制操作界面 液压拉伸部分是由液压工控机程序实现的，如图21 0 为液压控制的控制操作界面a 通过在 这个界面上设定液压控制参数、通过工业控制计算机控制喷嘴挡板式电、涟伺服阀，从而控 制液压缸的动作。 图2 1 1 工控机外形照片 m 2 0 0 5 女n # * 图21 2 伺服测控 控制系统主要由工业控制计算机、集成在工业控制计算机内部的总线板卡式控制系统、 两通道位移测量卡、四通道负荷测虽利采集卡、伺服测控卡、1 6 路i o 卡等组成。控制系统 与外部的传感器、液压系统、伺服阐等相连，实现对拉伸电、液伺服系统得控制，同时通 过计算机通讯与主控制系统相连实现整机联动控制。如图所示2 - 1 1 为工控机主要控制元件。 图21 2 为伺服测控 ，该 功能与通道负荷测量和采集卡一样该卡的作用主要是针对 液压拉伸轴上的伺服运动器进行全数字闭环控制。 2 4 本章小结 本章主要介绍了挣拉伸滚压设备的研发过程，阐述了挣拉伸滚压系统的总体机械结构及各 部分结构原理，同时阐述了冷拉伸滚压设备的控制系统。 贵卅1 人学2 0 0 5 级硕卜研究生学位论文 第三章基于l s - d y n a 下冷拉伸滚压仿真理论 3 1 c a e 技术及其发展 传统的产品设计流程往往都是首先有客户提出产品相关的规格及要求，然后有设计人员 进行概念设计，接着由工业设计人员对产品进行外观设计及功能规划，之后再由工程人员对 产品进行详细设计，设计方案确定以后，便进行开模等投产前置工作。由图3 - 1 可以发现， 各项产品测试皆在设计流程后期方能进行引。因此，一旦发生问题，除了必须付出设计成本， 而且相关前置作业也需改动，发现问题越晚，重新设计所付出的成本就越高。若影响交货期 或产品形象，损失更是难以估计。为了避免此情形发生，预期评估产品的特质便成为设计人 员的重要课题。 计算力学、计算数学、工程管理学特别是信息技术的飞速发展极大地推动了相关产业和学 科研究的进步。有限元、有限体积及差分等方法与计算机技术相结合，诞生了新兴的跨专业 和跨行业的学科。c a e 作为一种新兴的数值模拟分析技术，越来越受到工程技术人员的重视。 在产品开发过程中引入c a e 技术后。在产品尚未批量生产之前，不仅能协助工程人员作产品 设计，更可以在争取订单时，作为种强有力的工具协助设计人员及管理阶层与客户沟通： 在批量生产阶段，可以协助工程人员在重新更改时，找出问题发生的起点。在批量生产以后， 相关分析结果还可以成为下次设计的重要依据。图3 - 2 为引入c a e 后产品的设计流程图。 图3 - 1 传统产品设计流程图 1 7 ! ! 二! ! ! ! ! ! i ! ! ! ! ! ! ! ! 一 区蔓) = ( 卤 由 多 南 囝32 引入c a e 后产品设计流程图 以滚压t 件为捌如图33 所示它是金属材料在滚轮径向进给与转动、轴向辅助拉力的 情况下发生变形，获得所需的形状、尺寸和性能的制作加 过程a 在传统分析过程中，主要 还是依靠上程类比和设计经验，经过反复试验、调整r 艺参数以期望消除成型过程中的产 品缺陷，如失稳起皱纹、充填不满、局部破裂等。仅仅依靠粪比和传统的经验工艺分析和模 具设计方法已无法满足高速发展的现代金属加上的要求。 图3 3 滚压拉伸成型过程模拟 1 8 贵州大学2 0 0 5 级硕士研究生学位论文 引如c a e 后，可以用塑性有限元法模拟其轧制过程n 引，准确的掌握轧制变形过程中金属流 动规律、应力应变场分布、轧制力分布、温度场分布等是解决滚压中零件的成形规律、缺陷 发生原因、轧制力等参数大小等的基础。 3 2 l s d y n a 功能简介6 儿们 l s d y n a 作为世界上最著名的通用显式动力分析程序之一，能够模拟真实世界的各种复杂 问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力 冲击问题怕刖，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题，是显式有限元理论和程序的鼻祖在 工程应用如汽车安全性设计、金属成形、跌落仿真等领域被广泛认为最佳的分析软件包。 l s - d y n a 程序是功能齐全的几何非线性( 大位移、大转动和大应变) 、材料非线性( 1 4 0 多种 材料动态模型) 和接触非线性( 5 0 多种) 程序，以l a g r a n g e 算法为主，兼有a l e 和e u l e r 算 法：以显式求解为主，兼有隐式求解功能：以结构分析为主，兼有热分析、流体一结构耦合 功能：以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能( 如动力分析前的预应力计算和薄板冲压 成型后的回弹计算) 。具体在板成形方面的功能特点包括： ( 1 ) 分析功能强大。可进行非线性动力学分析：多刚体动力学分析：准静态分 析( 如钣金成形等) 及优化设计。 ( 2 ) 材料模型丰富。l s - d y n a 程序目前有1 4 0 余种金属和非金属材料可供选择。 ( 3 ) 单元类型众多，各种单元又有多种理论算法可供选择。这些单元采用l a g r a n g e 列式增量算法，具有大位移、大应变和大转动性能，单点积分并用沙漏粘性阻尼以克 服零能模式，单元计算速度快，节省贮存量，并且精度良好，可以满足各种实体结构和薄壁 结构的网格剖分需要。 ( 4 ) 自适应网格划分功能。该技术通常用于薄板冲压成形模拟、薄壁结构受压屈曲、三 维锻压问题等大变形情况，使弯曲变形的区域皱纹更加清晰准确。 ( 5 ) 全自动接触功能强大、有效。5 0 多种选择可求解诸如：变形体对变形体的接触、变 形体对刚体的接触、刚体对刚体的接触、板壳结构的单面接触等问题。这种技术己成功地用 于金属成形、整车碰撞的研究中。 ( 6 ) 初始条件、载荷和约束功能。可有效地进行初速度、初应力、初动量等的加载：各种 运动部的仿真以及各种边界条件的加载。 ( 7 ) 隐式求解。隐式求解主要用于非线性结构静动力分析，在l s - d y n a 中可以交替使用隐 式求解和显式求解，进行薄板冲压成型的回弹计算和结构动力分析之前施加预应力等。 1 9 贵州大学2 0 0 5 级硕t 研究生学位论文 目前运用l s d y n s a 在模拟金属板料冲压成形、金属锻造、大型碰撞分析等方面已经相 当成熟，许多研究成果均在实际工程中得以应用。特别是在大变形、大位移、金属塑性成型 的数值模拟方面，已经摸索出了显示一隐式弹塑性大变形数值模拟方法，并将其应用到典型 样件的最优化路径分析中，取得了很好的效果，并开发出相应的分析软件。由于l s d y n a 所 具有的强大功能，针对冷拉伸滚压设备成形的特点运用该程序进行相关成形过程的数值模拟 是可行的。 3 3l s - d y n a 程序算法基础3 5 1 1 非线性程序的结构、算法和使用与一般线性程序有很大的不同，只有对非线性程序采用 的基本理论和算法有初步了解，才能正确理解和使用，即正确填写各种控制变量，单元与材 料参数和功能控制数据。由于l s - d y n a 程序的功能和规模很大，采用的有关理论和算法非常 多，下面仅介绍一下涉及本章论文内容的一些相关理论。 3 3 1 控制方程和空间有限元离散化 ( 1 ) 控制方程 l s d y n a 程序的主要算法采用l a g r a n g e 描述增量法。取初始时刻的质点坐标为x 。 ( i = 1 2 。3 ) 。在任意时刻t ，该质点的坐标为x ，( i = 1 2 3 ) 。这个质点的运动方程是： x j ：x f ( x j t ) i = l ，2 , 3( 3 一1 ) 在t = 0 时。初始条件为 x j m x ，( x ，o ) = x ， ( 3 2 ) j ( z ，o ) = 杉( z ，0 ) 式中k 是初始速度。 l 动量方程 g p i = p 长t 式中，仃d 为柯西应力：z 为单位质量体积力；x ，为加速度 2 质量守恒 p = j p o 式中，p 为当前质量密度：风为初始质量密度；j 为雅克比行列式 3 能量方程 e = m 咒气一( p + g ) 矿 2 n 、j、，、， 0 4 5 0 o o 贵州大学2 0 0 5 级硕l 研究生学位论文 用于状态方程计算和总的能量平衡。 式中，v 为现时构形的体积：毛为应变率张量：q 为体积粘性阻力。 偏应力s 2 盯 ，+ ( p + g ) 盯 ， ( 3 6 ) 压力p ：一= 1 仃胜- q ， ( 3 - 7 ) 4 、边界条件 a 面力边界条件 门j = t j ( r ) 在面s 1 面力的边界上 ( 3 8 ) 式中，n j , j = 1 , 2 ，3 为现实构成边界s 1 的外法线方向余弦：t ，i = l ，2 ，3 为面力载荷。 b 位移边界条件 x ( x ，f ) = k j ( f ) 在s 2 位移边界上 ( 3 9 ) 式中k ( r ) ，i = 1 2 3 是给定位移函数。 c 滑动接触面间断处的跳跃条件 p ；一盯i k = 0 当寸= x j 接触时沿接触边界s 。( 3 - 1 0 ) 伽辽金法弱形式平衡方程为： 豇p 一一仃；一卜j d y + ( 盯；一仃；n 雹d s + 一f ( o g n j t , ) 瓯钌= 。 ( 3 一) 其中盘在s 2 边界上满足位移边界条件。应用散度定理： ( 盯缸。) d 矿= f o # n j f y o c i d s + ( 仃；一a i ) n j , y x j d s ( 3 - 1 2 ) 上式可以改写成： 赫= l p x , & d v + 1 1 6 ￥赢。d v 一巧l 融t d v 一t l i d s = o ( 3 - t 3 ) 此即虚功原理的变分列式。 2 ) 空间有限元离散化 因为本文主要采用实体单元进行分析，所以简单介绍一下实体单元的空间有 限元离散化方法。 在l s d y n a 3 d 程序的早期版本中曾采用过2 0 节点2 x 2 x 2 高斯积分实体，但是适合用于高 速碰撞、计算应力波传递的动力分析问题，不能适合我们冷拉伸滚压的实体单元，所以本课 题选择8 节点6 面体的单元，这种单元经验证运算速度快，求解精度也不错。这种低阶单元 运算速度快，精度也不错。 贵卅1 人学2 0 0 5 级硕- 1 ：t i j f 岁4 生学位论文 单元内任意点的坐标用节点坐标插值表示为 8 x i ( 善，7 ，f ，r ) = 谚( 孝，7 ，f ) x 抛) ( 3 - 1 4 ) 式中，f ，r i ，f 为自然坐标。x ( ，) 为t 时刻j 节点的坐标值，形状函数以( 孝，r ，f ) 为： 谚( 弧f ) = i 1 ( 1 + 劈。) ( 1 + 川( 1 + 菇，) 式中( 鼻，7 ，幺) 为单元第i 节点的自然坐标。 ( 3 - 1 4 ) 式用矩阵表示为： 缸( 善，刁，f ，f ) ) = n i x ) 。 式中，单元内任意点坐标矢量& ( f ，r ，f ，f ) y = x tx ：x 3 单元节点坐标矢量扛 “：k ：，x ：，x ，i ，x ? ，x ；，x ；】，插值矩阵： f 聂00 么0 01 【( 善，7 ，万) 】= l0 办0 0 唬0i l 0 0 么00 唬，x 2 。 ( 3 - 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) 将( 3 - 1 6 ) 式代入( 3 一1 3 ) 式得矩阵形式的表达式为： 勋= 窆勋。= 主万x 盯i ，p n 7 n d v 工。+ j b 7 引矿一，二7 矿一，7 淞l - d 脚2 l m = 1 l 吒砖 j 式中，柯西应力矢量仃r = 【吒巳 o z】 应变位移矩阵b 为： 贵州大学2 0 0 5 级f l i 十研究生学位论义 吲= 体力矢量厂r = 【石石石】；面力矢量f 7 = t 2f 3 ； l s d y n a 3 d 程序将单元质量矩阵m = ，p n 7 n d vf l o 同一行矩阵元素都合并到对角元素顶，形 m 2 ( 0 + f ( j c , x ) - p ( x , t ) - o 伊 或 m i ( t ) = p ( x ，) 一f ( x ，戈) 式中，m 为总体质量矩阵：觉( f ) 为总体节点加速度矢量- p 为总体荷载矢量，由节点荷 载、面力、体力等形成：f 为单元应力场的等效节点力矢量( 或称应力散度) 组集而成，即 f = 窆p 盯d y ( 3 - 2 0 ) 3 3 2 、单元计算的单点高斯积分和沙漏控制幢引啪1 非线性动力分析程序用于工程计算，最大的困难是耗费机时过多，显式积分的每一时 步，单元计算的机时占总机时的主要部