开题报告-槽钢辊弯成型过程的计算机仿真

学 院毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院 、 系 ：专 业 ： 机械设计制造及其自动化设 计 题 目 ： 槽钢辊弯成型过程的计算机仿真指 导 教 师 :年 3 月 15 日开题报告填写要求1开题报告作为毕业设计答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在系审查后生效；2开题报告内容必须用按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3学生写文献综述的参考文献应不少于 15 篇（不包括辞典、手册） 。文中应用参考文献处应标出文献序号，文后“参考文献”的书写，应按照国标 GB 771487文后参考文献著录规则 的要求书写，不能有随意性；4学生的“学号”要写全号（如 02011401X02） ，不能只写最后 2 位或 1 位数字；5. 有关年月日等日期的填写，应当按照国标 GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004 年 3 月 15 日”或“2004-03-15”；6. 指导教师意见和所在系意见用黑墨水笔工整书写，不得随便涂改或潦草书写。毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文 献 综 述1.1 本课题的研究目的及意义 冷弯型钢是一种经济断面型材。由于其本身具有断面均匀、产品质量高、能源消耗低和经济效益高等特点，故被广泛应用于汽车、航空、建筑等行业。随着科学技术的发展，各生产厂家己广泛采用整体型材加工技术，从而取代经过焊接等加工成型的材料，这就要求各竞争者不断地改进技术、提高质量、降低成本，满足广大用户的要求。尽管冷弯成型产品的生产和应用己有百余年的历史，产量和工艺都达到了一定的水平，但是由于其本身所具有的特点和规律尚未完全被人们掌握和认识。其仍然被称为是一门“未掌握的艺术” 。随着市场对高品质、多品种辊弯产品需求的不断提高，过去那种试制时间长、精度差的传统设计和加工方式己经远远不能满足用户的要求。同时随着计算机性能的不断提高，采用计算机对冷弯型钢进行孔型辅助设计(CAD)及过程分析(CAE)技术己经成为一种趋势。冷弯成型过程属于三维弹塑性大变形问题，在成型过程中，它不仅是纵向弹性拉压和横向弹塑性弯曲等变形的综合；同时由于受到外部边界摩擦、孔型几何约束、材料本身的加工硬化，材料横截面壁厚不均分布等影响，均能使变形形态发生改变，引起带钢横向扭曲与纵向拉伸和压缩。因此，辊弯成型过程是十分困难的，单纯用一个数学模型难以描述，人工智能和专家系统是解决这一问题的方向。但是到目前为比，国内所研制的 CAD 软件几乎都完全依赖经验公式和参数，缺乏理论依据。设计人员不经过实践，无法初步判断金属变形是否合理，辊型设计是否合理。因此辊弯成型的计算机模拟在辊弯成形 CAD 中将有着特别重要的意义。通过辊弯成型模拟可以对 CAD 系统提供板材变形预报和验证模型，从而在缩短产品设计周期与节约设计成本方面都具有积极的现实意义 1。 1.2 本课题的国内外现状随着研究的不断深入，辊弯成型理论有了很大的进展，有很多算法被用来求解辊弯成型问题，目前辊弯成型的分析方法大致可分为二种析法，简化分析法、有限条法和有限兀分析法 2。东京大学木内学教授提出利用含参数的形状函数近似地描述带材在成型时空间轨迹和变形曲面，求解应变应力 3。并对焊管辊型、成型过程生产线、轧机架数、机架间距等一系列影响因素进行系统的分析，同时又扩展到宽幅断面型钢、C 型钢、V 型钢辊弯成型以及直缝焊管残余应力的研究。木内学教授所采用的研究方法是目前较完善的方法之一，但是由十整个变形曲面决定十一个待定参数，造成所构造的曲面与真实曲面之间误差，从 Ifn 限制应变应力分析精度。口本山梨大学小野田义富等对直缝焊管、方矩形焊管、宽幅外卷边帽型钢辊弯成型采用刚塑性有限兀法模拟研究，但不能分析带材成型时的弹复问题。美国 Roll-Kraft 公司的 Robert J.Harstain、英国 Aston 大学的 Milne；以及加拿大 W aterlo。大学的 Terry R.Walker 和 IIRoy J.Pick 利用有限兀方法使用商业化软件分别分析焊管、简单断面型材和复杂形状宽幅型钢的成型过程 4-9。美国 Taylan Altan 等基十有限变形力学，预测了简单断面型钢的变形几何形状和应变分布 1011。新西兰S.M.Pantan 研究了辊弯成型过程的纵向和剪切应变，认为辊弯成型包括纵向拉伸、纵向弯曲、横向弯曲和剪切，指出剪切应变比其余类型应变大许多 12。法国 G.NEFUSSL等在工作站上模拟刚塑性材料和弹塑性材料辊弯成型过程，采用 Prandtl-Reuss 流动理论和 VonMises 屈服准则，通过塑性功率最小化，给出优化的构形、金属变形区长度以及优化的速度场 13。新加坡 R.S.Senanayake 利用有限兀分析和计算机可视化技术计算辊弯成型过程的塑性应变，与实验结果吻合较好。法国 M.Brunet 采用有限兀方法模拟槽钢成型过程，分析材料的整个变形历史，获得了优化设计的轧辊形状 14-17。在我国，蔡松庆首次采用有限兀法研究复杂的焊管成型过程;张必强和张全根曾以材料力学方法研究焊管成型问题;以燕山大学刘才教授为首的课题组，对辊弯成型过程分别使用样条有限条法和弹塑性大变形二维有限兀法进行深入系统的理论和实验研究，取得许多重要的研究成果 1819-21。综合来看，国内外研究人员对辊弯成型过程的研究热点集中在有限兀分析方面。对仿真结果分析以及如何指导实际生产方面做的较少，本课题则是通过对普通槽钢辊弯成形工艺进行全流程的参数化建模和对模型的分析来仿真实际加工过程，通过采用有限兀技术进行全流程数值仿真，分析应力、应变等情况，选择一组满足整个辊弯成型过程要求的参数群，实现在线调试的虚拟化，并通过配置不同参数来对模型进行分析，结合实际生产验证最终指导复杂截面件辊弯成型的规律。1.2.1国内外的比较(1) 冷弯成型基础理论研究不够。冷弯CARD 是理论、经验、数值算法、计算机技术的有效结合,而目前国内编制的冷弯CARD软件在算法上几乎完全依赖经验公式和参数,缺乏理论依据。大多数冷弯CARD 仅仅是经验公式计算机化的工作。其设计结果可靠性降低,一般只有在加工出轧辊进行试轧后,才能确定设计成功与否。而国外的大型冷弯CARD 软件,一般有变形预报模型和变形验证模型,可以在设计阶段对设计结果进行检验及修改。(2) 缺少冷弯实验研究。冷弯实验包括真实成型实验和现场实验,如果这两方面工作较完善,即可促进冷弯理论研究的发展,同时可积累实践经验,给冷弯CARD 系统提供设计模型和检验模型。目前仍感到知识库中专家知识的缺乏,这在很大程度上是由于实验研究不足; 在国外,一个大型冷弯CARD系统的诞生,其前期工作是大量的实验和理论工作,在这样的基础上,才能设计出可靠性高的软件。(3) 冷弯 CARD 软件商品化程度不高。国外冷弯 CARD 软件普遍利用工作站的强大功能来实现软件的商品化,而目前高档微机的功能已接近工作站,在微机上实现冷弯的CARD 软件的商品化已成为可能,只有达到这一步,软件在国际市场才有竞争力。当然,这需要多专业的人合作才能完成。弥补上述不足之处,将其作为今后工作的重点和动力,才能使国内冷弯 CARD 技术赶上国外先进水平。但是,这是一个巨大的工程研究项目,只有多专业,多部门长期合作才能实现这一目标,国外大型冷弯 CARD 系统的发展也证明了这一点。1.3本课题的研究思路1、搜集资料，了解并掌握辊弯成型过程理论；2、搜集国内外有关辊弯成型过程模拟的资料，并进行综合分析，撰写一篇有关辊弯成型过程发展与所采用手段的小论文；3、学习 ANSYS 软件；4、利用有限元知识对槽钢辊弯成型过程进行建模；5、分析槽钢辊弯成型的位移场，等效应变场，等效应力场，揭示了金属的三维流动情况，同时分析各道次中面的纵向应力应变和横向应力应变的分布；7、撰写论文一份；8、外文资料翻译参考文献：【1 】周宏宇.槽钢辊弯成型的数值模拟及工艺参数研究.硕士学位论文.北京：中国科学院, 2004【2】李大永，罗应兵，张少睿，彭颖红，工臼:J 一辊弯成型数值研究综述及全流程仿真关键问题.机械科学与技术.2004. 12. 1466-1469【3】木内学，新谷贤，户泽正孝。异形管。口 W 成型巨圃寸九实验的研究(第九报)成形荷重 t圃寸九综合的检讨(1)一生产研究1979, 1 (13): 444-447【4】Nitin, Duggal, Taylan A. ltan. 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Tech, 1996, 60: 209-214【17】K.Damn, Determination of Longitudinal Strains in Roll-Forming of Standard Sections ina Multi-stand Machine, Dissertation Institute foe reduction Technology; University ofDarmstadt,Germangy,1989:26-49【18】韩志武，刘才，路卫平.辊弯成型的工艺理论及 CAE 技术研究进展与展望.钢铁，1999, 34 (7):70-72【19】韩志武，冷弯型钢纵向变形的理论分析及计算.钢铁研究学报.1997. 9 (2) :18-21.刘才，陆卫平等.工艺参数对简单断面型钢辊弯成型过程的影响.金属学报，2002, 38 (3):331-333【20】韩志武，刘才.冷弯成型数值模拟与孔型 CAD 集成.钢铁，2001, 36 (7) : 30-33【21】韩志武，刘才.外卷边槽钢辊弯成型过程数值模拟.应用数学和力学，2002, 23 (3):292-298毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：2.1 本课题研究的主要内容2.1.1 辊弯成型理论辊弯成型的成型机理比较复杂, 现在的理论研究还不是很成熟, 其中最常用的研究方法是简化析法。简化解析法中将横向弯曲变形和纵向弯曲变形分别进行分析, 其中横向弯曲变形采用弹塑性理论和纯弯曲理论进行分析, 而纵向变形将带材视为弹塑性薄壳进行分析。新西兰的Bhattacharyy a, 研究了使用单辊和多辊情况下的纵向应变, 而且研究了不同的弯曲角度和弯曲角度增量下应变的变化。认为峰值应变的大小取决于弯曲角的增量, 而不是轧制过程中轧辊的角度。日本的小奈弘提出槽钢边部成型的水平投影轨迹为三次多项式, 即y= A x 3+Bx2+ Cx+ D, 并根据边界条件求出各个待定系数。 K Nakajima提出一种纵向应变计算模型, 是基于坯料的横截面形状为单半径的圆弧平面, 且始终垂直于Z 轴假设下得出的模型, 其纵向应变具体形式为axial = dx 2 + dy2 + dz 2 - dz / dz2.1.2 辊弯成型具体内容本课题以槽钢辊弯为研究目标，以经验和试错法为基本理论依据，通过理分析以数值计算相结合的方式，研究槽钢辊弯的特点及有限元的技术要求；基于、位移场，等效应变场，等效应力场基本理论进行设计,运用有限元法进行数值计算，借助 ansys软件进行仿真优化。具体内容如下：1、搜集资料，了解并掌握辊弯成型过程理论；2、搜集国内外有关辊弯成型过程模拟的资料，并进行综合分析，撰写一篇有关辊弯成型过程发展与所采用手段的小论文；3、学习 ANSYS 软件；4、利用有限元知识对槽钢辊弯成型过程进行建模；5、分析槽钢辊弯成型的位移场，等效应变场，等效应力场，揭示了金属的三维流动情况，同时分析各道次中面的纵向应力应变和横向应力应变的分布；7、撰写论文一份；8、外文资料翻译。2.2 本课题需解决的问题 （1）了解辊弯成型过程理论、了解国内外研究方法， （2）学习并掌握 ansys 软件的应用，（3）学习辊弯成型过程的建模, （4）系统模拟槽钢辊弯成型过程中的位移场，应力场，应变场。（5）研究槽钢成型时不同道次的应力，应变的分布情况。2.3 本课题研究的方向了解并掌握辊弯成型过程的理论知识，学习并熟练运用 ANSYS 软件，利用有限元理论对槽钢辊弯成型过程进行有限元建模，对槽钢辊弯成型过程中的应力场、应变场和位移场和各道次横向应力、应变和纵向应力、应变进行模拟；分析以冷弯槽型钢成型的位移场，等效应变场，等效应力场，揭示了金属的三维流动情况，同时分析各道次中面的纵向应力应变和横向应力应变的分布。2.4 本课题拟采用的研究手段本课题研究的目的在于深入研究有限元方法和辊弯成型技术以及先进高强度钢特性， 建立合理的辊弯成型有限元仿真模型并将其应用于生产实践。目前，型钢的成型理论还尚不完善，尽管在这方面研究己经有比较长的时间，但是其进展仍然比较缓慢，还不能很好地解决实际生产和设计中遇到的一些问题。以往所做的大量工作，大多是建立在解析和试验基础上的，很难预测复杂塑性变形的金属塑性机理，特别是没有全面考虑影响金属三维流动的复杂因素。因此，研究辊弯成型力学性能，寻找各工艺参数在成型过程中对型材变形的影响，及掌握金属流动的变化规律，不仅能加深对辊弯成型理论研究，而且还能对实际生产与设计提供指导作用。为了更好地分析冷弯型钢在成型过程中金属的三维变形，本文采用了 Updated-Lagrangian 增量法(简称 U. L.法)有限元理论，同时考虑了成型过程中的材料与几何双重非线性，对型钢成型过程中进行了三维弹塑性有限元模拟。本文将在以下几个方面开展系统的研究工作:(1)建立冷弯型钢模型。(2)系统模拟成型过程中的位移场、应力场、应变场。(3)研究型钢成型时不同道次的横向应力、应变和纵向应力、应变分布的状况。(4)针对各成型参数对成型过程的影响及各道次中应力、应变的分布状况，研究各因素对成型过程的影响，探索成型过程中的一般规律，为生产、设计提供参考。2.5 本课题所需的相关软件ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发，它能与多数 CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD 等， 是现代产品设计中的高级 CAE 工具之一。2.6本课题计划进度2013 年 02 月 23 日-2013 年 03 月 15 日 收集材料，复习相关专业知识，翻译科技英文知识。2013 年 03 月 16 日-2013 年 04 月 06 日 学习有限元理论和学习 ansys 软件。2013 年 04 月 07 日-2013 年 05 月 07 日完成槽钢辊弯成型建模。2013 年 05 月 08 日-2013 年 05 月 30 日 分析结果，编写设计说明书。2013 年 06 月 01 日-2013 年 06 月 10 日 准备毕业答辩。毕 业 设 计 开 题 报 告指导教师意见：指导教师： 年 月 日所在系审查意见：系主任： 年 月 日附件：参考文献格式学术期刊 作者论文题目期刊名称，出版年份，卷(期)：页次如果作者的人数多于 3 人，则写前三位作者的名字后面加“等” ，作者之间以逗号隔开。例如：1 李峰，胡征，景苏等. 纳米粒子的控制生长和自组装研究进展. 无机化学学报， 2001, 17(3): 3153242 J.Y.Li, X.L.Chen,H.Li. Fabrication of zinc oxide nanorods. Journal of Crystal Growth, 2001,233:57学术会议论文集 作者论文题目文集编者姓名学术会议文集名称，出版地：出版者，出版年份：页次例如：3 司宗国，谢去病，王群重子湮没快度关联的研究见赵维勤，高崇寿编第五届高能粒子产生和重离子碰撞理论研讨会文集，北京：中国高等科学技术中心，1996：105图书 著者书名版本出版地：出版者，出版年页次如果该书是第一版则可以略去版次。例如：4韩其智，孙洪洲群论北京：北京大学出版社，1987101预印本 作者论文题目预印本编号（出版年份）例如：5Xiaofeng Guo and Jianwei QiuThe leading power corrections to the structure functionshepph/9810548(1998)学位论文 作者论文题目学士(或硕士、博士 )学位论文. 出版地：出版者，出版年份例如：6 陈异. 纳米粒子形貌控制研究. 硕士学位论文. 北京：中国科学院, 2002电子文献 主要责任者. 电子文献题名电子文献的出处或可获地址. 发表或更新日期例如：7 王明亮. 关于中国学术期刊标准化数据库系统工程的进展. http:/www.caycd.edu.cn/pub/wml.txt/980810-2.html, 1998-08-16专利 专利所有者. 专利名称. 专利国别：专利号，日期.例如：8 姜锡洲.一种温热外敷药制备方案. 中国专利：881056073，1989-07-26.