（材料加工工程专业论文）大截面异形筋条纺织过程临界条件模拟.pdf

昆明理工大学硕士学位论文 摘要 摘鬟 采蠲大燮养路机械进彳亍铁路绫路养护爱维修辩我国铁路交通的发展产生了深 邋的影响，然而因进口大型养路机械及其配件使用成本过高，限制了大型养路机 械在簸函的愈糟，因鼗进行大黧养路橇械及萁配件豹隧产化研究靛鼹得极其重梁。 筛刚是大型养路机械清筛机中匿要的零件，属耐磨易耗件，大最依赖进口使 熙成本邀高。国产纯研究虽然已取褥一定成襞，但鼷大批鬟生产仍有一定距离。 猩筛网圜产化生产中，采用平纹织法遂行编织。原材料缀轧制、冲坑、弯曲、校 童等工序褥到具有等节距凹坑鞭弯睡部分的戆条，势按尺寸要求撼其分为缴囱黪 祭和横向筋条，然后雀专用的编织机上进行筛网编织，纵向筋条通过编织机的梳 子上下分开，横向篾蘩采用人工喂料方式，这样级囊篾象与横向憝条上下糕互交 叉锁紧丽织成筛网。 农簿网缡织过程孛，缎霹麓条套窍照勰羧整骖主要嚣经验皋穗定，其有较大 的不确定性+ 过大的煳装位移使得纵向筋条在编织过程中极易发生罄。陡变形，过 小戆攘载位移使褥横淘簸条嚣法啜辩，导羧瓣隧编织嚣雄显震茧不稳定。溺毖程 缡织_ j 窭爨中，礁定台理懿翅载位移壤戏先鳃抉此翊鼹数关键。 本谂文凌分析黪躅镳绞进程基麓上，对编绥遵穗中缀囱筋条豹激力逡镎分街。 遐过撵鳖性蠢隈元方法释钱纯设计方法，对大截藤辩形篾祭缡缓避程中级淹黪祭 允诤身籍载位移藏淘避行了分丰行。同时对编缓夫截瑟髯形筋祭筛潮的专用编织橇敌 避进行了搽 曹。 通道大截西舜形筋祭有限元模叛分析，褥出如下结巢： 1 ) 确定了缀囱筋条备弯您不发生塑瞧变形翡最大掬藏佼移滴绫；2 确定了 畿使横向筋条顺利蠛料时，各弯处的最小加载位移曲线；3 ) 椴据以上两条加载 像移瀚线，确定了缡织对毅淘筋条翔载位移酌范瀚；4 ) 辩专用编缓杭的梳子，箭 祭长度，定霞槽深度提出3 种潋进方案。 以上模拟缩果奁筛网编织过程中褥到了验话，越到了鞍好的效粱。 关键词：纵向筋条加载位移耀性变形弹塑性有限元优化设计 望擅望兰奎耋! ! 壁鲎壁垒壅 楚! ! 鳃! a b s t r a c t i ti st h ea d o p t i o no fl a r g e s c a l em a i n t a i n i n gr o a d m a c h i n e r yt o 蛰r 。t e e t a n dm a i n t a i nr a i l r o a dt h a tg e n e r a t et h ep r o f o u n di n f l u e n c et oo u re o u n t r v r a i lc o m m u n i c a t i o nd e v e l o p m e n t h o w e v e r ， i tc o n f i n e st h ee x e r t i o no f l a r g e s c a l em a i n t a i n i n gr o a dm a c h i n e r yi no u rc o u n t r yb e c a u s eu s a g ec o s t o fi m p o r tl a r g e s c a l em a i n t a i n i n gr o a dm a c h i n e r ya n di t sf i t t i n g si s t o o h i g h s o ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt oc a r r yo nt h er e s e a r c ho f l a r g e - s c a l e m a i n t a i n i n gr o a dm a c h i n e r ya n di t sf i t t i n g si no u ro o 珏n t ￥ t h eg r i d d l eisav e r y i m p o r t a n ta c c e s s o r yi ns w i t c hc l e a n l n g 。f l a r g e s c a l em a i n t a i n i n gr o a dm a c h i n e r y i ti sw e a r a b l ea n d e a s yw a s t i n g p a r t s t h eu s a g ec o s tist o oh i g hi fi td e p e n d so nv o l u m ei m p o r t a l t h o u g h t h er e s e a r c ho fh o m e m a d eg r i d d l eh a sa l r e a d yo b t a i n e dt h ec e r t a i nf r u i t i ts t i l la p a r tf r o mt h ep r o d u c t i o no fa m o u n to fi a r g eq u a n t i t yh a v e t h e c e r t a i nd i s t a n c e r o da f t e rt h es l i g n m e n ti s p r o c e s sb ym a c h i n et h es 氇器e p i t c ho ft h ec a v ef l e x u r eo rt h ew a v ef l e x u r es h a p e ，a sw e a v e st h eg r i d d l e s l e n g t h w a y sa n dt r a n s v e r s a lt h e nk n i tt h eg r i d d l eo nt h em a c h i n e r y ，w h i c h u s e df o re x c l u s i v e l yk n i tt h eg r i d d l e t r a n s v e r s a l r o d sa d o p to fm a n u a l p r o v i d i n gt h em a t e r i a l ，l e n g t h w a y sac o m bt o pa n db o t t o mt h a tp a s s e st h e k n i t t i n g m a c h i n es e e p a r a t e ，t h u s1 e n g t h w a y sr o d sa n dt r a n s v e r s a l r o d s i n t e r s e c tm u t u a l l yt i g h t i nw e a v ep r o c e s s ，l e n g t h w a y sa ne a c hl o a d i n gd i s p l a c e m e n tm a i n l y 珏e a r e x p e r i e n c et oc e r t a i n ，1 e a dt h eb i gl o a d i n gd is p l a e e m e n tt om a k el e n g t h w a v s r o d st a k ep l a c et h ep l a s t i cd e f o r m a t i o ne a s i e s ti nw e a v ep r o c e s 8 ，o r 1 e a d t h es m a l1 l o a d i n gd i s p l a c e m e n tt om a k et r a n s v e r s a lr o d sc a n tb ew e a v e c a u s i n gt h em a s so fg r i d d l ei n s t a b i l i t y t h e r e f o r ei nw e a v ep r o c e s s ，t h e r e a s o n a b l el o a d i n gv a l u eo fa s s u r a n c eb e c o m e st h ek e yt h a tr e s 。1 v e st h i s p r o b l e m 。 t h i sp a p e ra d o p ta n s y sa n do p t i m i z ed e s i g na n a l y s i st o r o d s 。a s s u r e t h em a x i m u ma n dm i n i m u mv a l u e so f t h ec e r t a i nl o a d i n gd is p l a c e m e n t ，g e t 3 坠望堡三点笺堡圭堂垡笙茎一垒堕艘! l a ne a c hr a n g eo fc u r v e dl o a d i n gd i s p l a c e m e n t ，a n dt a k et h i sa st h e f o u n d a t i o n ，t a k i n gi n t ot h ea p p r o p r i a t ei m p r o v e m e n tt o w a r d sw e a v i n gt h e e q u i p m e n t g e ta sf o l l o w sa sr e s u l t s ：1 m a d es u r eb i g g e s tl o a d i n gd i s p l a c e m e n t c u r v eo fe a c ha n t io c c u r r e n c ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ：2 ) m a d es u r eam i n i m u m l o a d i n gd i s p l a c e m e n tc u r v et h a tt r a n s v e r s a lr o d sc a rb ew e a v e ：3 ) a c c o r d i n g t ot h el o a d i n gd i s p l a c e m e n tc u r v e ，m a d es u r et h er a n g eo ft h el o a d i n g d i s p l a c e m e n t ：4 ) p u tf o r w a r d3k i n d so fi m p r o v e m e n tp r o j e c t st ot h ec o m b ， t h e1 e n g t ho fr o d sa n dt h ec l a m p i n gs l o td e p t h t h er e s u t tg o tt h ev e r i f i c a t i o ni ng r i d d l ew e a v ep r o c e s s ，r e a l l yr i s i n g t oc o m p a r eg o o da c t u a le f f e c t 1 【e y 霹。r d ：l e n g t h w a y so fr o d ，l o a d i n gd i s p l a c e m e n t ，p l a s t i cd e f o r m a t i o n ， a n s y s ， o p t i m i z ed e s i g n 4 昆明理工大学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( 或 我个人) 进行研究工作所取 导的成卷。除文中已经注明弓 用的内 容外，本论文不含任何其熊个人或篡体已经发表或撰写过麓研究残 暴。对本文戆研究做出熏要霞献翡个人和集体，蚜已在论文中作了蛹 确的说髓并表示了谢意。本声稍的j 蠢律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 5 0 0 m 3 h ) 、中蘩清筛机( 生产率3 0 0 5 0 0 m 3 h ) 和小型清筛机( 生产率 吒是否成立，这尾或= 吼o + h g e 。，式中孑“为等效成力，盯为 初始屈服威力，h 为硬化系数，i 为第r 一1 次迭代后当前的等效翅性应变，检套 结果觅表2 。3 袭2 。3 裹簸点状态獠壹骥答袭 是否 说确高新点此前已屈服，梭查楚说弱裔新点此前未耩服，检查是 否有z 孑，蒜图答为：螽有- j 7 织，籍器签受： 番 是 否 趄 高新点处在弹商新点诧前融高斯赢仍处在施加本次逡代 噬卸载盼段壤服，两斑力仍弹性状态蛇载瑟时，裹 猩增加，敞超出斯点己屈服， 瓣瘫力稳大于届鼹蕊觞 一盯“必须退 应力部分退回 回到厢服箍上 列屈服面上 5 对予已经藩暇豹薅薪煮，哭诗葵满足藩黥准簧l j 静嚣段一+ ( 1 - r ) d a ；。 6 。剩余的应力部分剃彰，必须采瘸某耱方式等效地予鞋消除。应力点只可熊 农屈服面上移动，崽到平衡条 牛及本构关系都能满足为止，丽不可能移动剃屈服 面以外。消除应力r d ，目的就是使成力终点a 退阐到崩服两上a 燃：塑：， 口 圈2 t 弹璇性蠛鳞俸砖蘸盛噩廉上秘穗力昔董赍纯趾b 释羹能薅壤体内韧螭蒋曩稼上帕麻舟精董蟹他 崮圈2 。7 可襻 d o - = d d e 一测d 1 9 ( 2 - 2 6 ) 昆明理工大学硕士学位论文 第二章弹塑性有限元基本原理及模拟中的若干技术问题处理 或 盯7 = 仃卜1 + d o 7 = 仃卜1 + d 一正z d d ( 2 2 7 ) 式中，d 2 = 7 d i a 廿) j h 日+ 船m 晶 d 斟( 2 - 2 8 ) 小 d 器 ( 2 _ 2 9 ) 式中以是塑性系数，d 。是材料的本构矩阵在单元弹塑性转化时的增量。 上式给出了应力盯“产生增量时，应满足弹塑性条件的总应力盯7 。对于一定 大小的应力增量，可能使与仃对应的最终应力点d 离开屈服面。但若求解时，载 荷量取得足够小，则此偏离可忽略不计。而且，只要调节矢量口的大小，就可使 d 点退回到屈服面上来。设应力盯7 所对应的等效应力为盯4 ，当d 位于屈服面上时， 孑= = 吼。+ 日i ：，修正l v , 侈! j 因子取( 。+ 日；：) ，孑7 ，则修正后位于屈服面上的 应力为： 拈盯r 1 巡- - g ( 2 3 0 ) l 旷 若允许较大的载荷增量，且应力点在屈服面的大曲率附近，上述方法仍将存 在较大的误差。如图2 9 所示的应力点d ，d ，弹性应力按照应力折算的方法返回 到d 点，然后按比例减小计算的精度，可将超出的应力进行若干次缩减，退回到 屈服面上时，就可以达到较高的精度。图2 9 中把超出的应力等分成三部分，依 次对每个增量进行处理，在三个周期后退回到屈服面上，得到应力点e ，只要加以 调节即可得出最终应力点e 7 。由图可见，最终应力点d 7 和e 7 可以相差很大。另一 种修正方法是在退回的每一个周期，都把应力点修正到屈服面上来。超出应力区 段a b 所划分的段数越多，精确度就越高，但计算也就越复杂。因此，一般采用以 下折衷方案，将超出的应力部分r d 分为n 段，n 为整数，其值为： n 8 i 生二堡i + l( 2 3 1 ) t o g o ) 式中，盯：一叽表示超出的应力值，。为初始屈服应力。 昆明理工大学硕士学位论文第二章弹塑性有限元基本原理及模拟中的蓿干技术问题处理 ， ， 口j 、 图2 9 威力点回到屈服面上的修正过程 ( 7 ) 爝拶= 拶“幻：慕诗算蔫凝点黪寝力一。 2 2 。4 收敛凇则 农以迭代法为基础的增瀑求解过程中，每次迭代结寨后，都舞检查得到的解 是否收敛。当收敛允许误差较大时，就得不到糖确解；反之，若收敛允许误差太 小时，就会为不必要的精度丽花费太多的计算时闻。同样，不适当的发散检查会 造成农阀题不发数时终止迭代，或遗使迭代去搜索不能达到的鼹。所以，适当的 收敛准则对增凝迭代求解至必重要。 在收敛准则中，辩用的求解变爨毒三耪：位移、失鬻力积增攫走憝。本文激 用失衡力( 残余力) 朱作为收敛判据，即将每次遗代所得到的每个节点上的残余 力的摸除以外泼蔫的模，强巢该篷夺予允诲的误差系数t o l e r ，藏认为酿经牧敛。 即： 外 丝淀( 2 - 3 2 ) 式中，表示肇熹慧数，势撵秀舞载麓懿撰，分子菇残余力豹模。 2 2 5 波前法 翮厢有限元法解决工程闯题时，最终都归结为求解总体刚度的平衡方程缝。 鬻用的煮接求逆法和对称分勰法对予大型题目来讲，由予占用的内存较多，在一 般中小型计算机上难黻完成。波前法由i r o n s 首创，并以使用简便和经济著称， 2 1 翰 昆明理工大学硕士学位论文第二章弹塑性有限元基本原理及横拟中的若干技术问题处理 是在中小型计算机上求解大型题目的有效方法。 波前法求解有限元时，方程的组装和约简是一个单元一个单元进行的。每个 单元变量分配一个波前位置，必要时，调整波前宽。单元的剐度和载荷项组装到 由波前中的变量位置支配的总体方程中。若节点是最后一次出现，则相应的自由 度用方程约简来消去，相应于消去变量的刚度和载荷项存入磁盘文件中。位移按 相反次序回代得出。波前法求解过程如图2 1 0 所示： 波前法的特点如下： 1 一个自由度变量引入内存工作场的时机最晚，则消去的时机又最早。一个 节点的活动时间是从它在一个单元最初出现时开始，到它在一个单元最后出现的 时刻为止，因而所要求的内存工作场就最小。 2 由于波前的紧凑性，而且只要可能，变量立即消去，使得这种方法的零系 数运算量降到最小限度。 3 波前法解题与单元的编号顺序有关，而与节点的编号顺序无关，波阵面的 最大宽度仅取决于单元的编号顺序。 4 波前最初的有效空间总是被新的方程占据，因此，不需要在内存中对方程 进行整体移位。 图2 1 0 波前法的总体程序结构 昆朗理工大学硕士学位论文 第二章弹塑性有限元蘩本原理及模拟中自锰若干技术问题处理 2 2 6 数值积分 数值积分是弹塑性有限元模拟技术的一个重要组成部分。盎于单元矩阵中的 各项被积函数构造复杂，一般不能蠲解析形式表达其原函数，因此常采用数值积 分近似计算其积分值。实际计算时所采甩的数值积分方法，既要保证一定的计黧 精度要求，同时又不成过分增加计算时间。通常采用的是黼斯积分法。 意颠积分公式和等参单元的使用会影响鸯限元计算精度。必获德较赢齄求辍 精度，通常采用较高阶次的积分。识是这种做法税有限元计算中是不可取的，因 为有羧元求解遘程中诗葵枧戆撬时大部分都被数壤积分占用，增糖验次努鍪会大 大延长计算时间；另外，在较高阶次的求积公式中，其余项表达式中的简阶导数 难戳镰谤。爨瑟要埝巍选择数蓬毫欺辍分熬除次。考瘗定义褒一1 茗s 1 嚣蠛的一 维函数，( 工) ，采用高斯法，函数积分可用下式表示： d 白迅= 弼，如) ( 2 3 3 ) 1 0 1 式中墨楚辍分熹豹坐耩，磁是热较系数，摊燕凝分患戆懿总数，镁设，起 个连续函数，( 2 - 3 2 ) 式的代数计算精度为2 n 一1 次。表2 4 给出了，l = i 一4 时的最 饶积分点窝麓毅系数。 表2 4 最优积分点和相应的加权系数 难 而 弼 1o 02 o 2圭0 。5 7 7 3 51 。0 3o 7 7 4 6 00 5 5 5 5 o 00 8 8 8 8 40 8 5 1 1 30 。3 4 7 8 5 0 3 3 9 9 8o 6 5 2 1 4 圊理，由自然坐标0 l 蔓善i , - i 曼蟹i , - i s f 1 ) 定义的三绥空间函数，缮，壤f ) 积分 公式为： l ，哲滞f 彭疆f = 冀宝套弼黻，赣妫，磊) ( 2 3 4 ) # o lj i l _ “i 对予遥过等参元定义的函数，弘z ) ，其辍分诗舞公式为： l ，o ，y , z ) a v = ，l ，皓，叩，f ) i ，偕，r f ) 珏影彬f ，i 盘，、，、 ( 2 3 5 ) = 弼瞰，瓴，巩，氕i 歹概，r j ，乳) i 式中l 落，醌f ) l 莛爨霹跑矩黪行列式。 昆明理工大学硕士学位论文第二章弹塑性有限元基本原理及模拟中的若干技术问题处理 当三维函数，皓，玎，f ) 为l 时，积分结果代表单元的体积。即 y = j = 。上，皓靠f ) 1 ，h 彰彬f = n n nw i j l ( 2 - - 3 6 ) # 2 lj 2 l j 2 l 2 4 昆明理工大学硕士学位论文第三章筋条有限元模拟初步 3 1 引言 第三章筋条有限元模拟初步 资料分析表明，筛网的基本编织方法有三种( 如图3 1 所示) ：平纹织法、 缎纹织法、斜纹织法；以这三种基本编织方法为基础，还可派生出许多变型织法。 基本编织方法及对应编成的筛嘲特点分析如下： l 平纹织法一平纹筛_ 网用平纹织法织成，即由经纬丝一上一下的相互交错编织 而成。平纹织法编成的筛网无方向性、结构紧密、纵横强度好、孔隙小、截留率 高，但对通过筛嘲物料的阻力较大。 2 缎纹织法一缎纹筛网由缎纹织法织成，即由一根纬丝和5 根以上的经丝交织 而成，由于有许多的经丝和纬丝浮于筛网表面，因此空隙最大、阻力小、透液率 大，但截留能力低。 3 斜纹织法一斜纹筛网由斜