鋼帶纏繞模具疲勞設(shè)計(jì)方法與數(shù)值模擬.pdf

1、在冷擠壓、冷鍛等金屬零件成形過程中，模具承受著巨大的交變載荷，易出現(xiàn)裂紋，產(chǎn)生疲勞破壞。采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)可為模具提供徑向預(yù)緊力，可有效抵消工作載荷產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力，提高模具的強(qiáng)度和剛度，提高模具壽命。鋼帶纏繞預(yù)應(yīng)力模具采用高強(qiáng)度薄鋼帶作為纏繞材料，按照一定的張力變化模式對模具進(jìn)行纏繞，用于替代年輪式預(yù)應(yīng)力模具中的預(yù)緊環(huán)。其優(yōu)勢表現(xiàn)為:承載能力高，形狀尺寸小，工件的尺寸精度高。
　　 本文以鋼帶纏繞預(yù)應(yīng)力模具為研究對象，分析了工作狀

2、態(tài)和不工作狀態(tài)下模芯和鋼帶層的應(yīng)力分布情況，分別對模芯和鋼帶層進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核，建立了確定纏繞預(yù)緊力、纏繞層數(shù)和纏繞張力的數(shù)學(xué)模型。具體工作包括:
　　 (1)基于拉美公式、歐拉公式和有限壽命設(shè)計(jì)理論，得到模芯和鋼帶層承受循環(huán)應(yīng)力的應(yīng)力特征。以此為依據(jù)，分別對模芯和鋼帶層進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核。并根據(jù)模芯內(nèi)壁和鋼帶層外壁徑向位移相等，得到了確定纏繞預(yù)緊力和纏繞層數(shù)的計(jì)算方法和數(shù)學(xué)表達(dá)式。
　　 (2)考慮鋼帶層間摩擦，根據(jù)鋼帶

3、層應(yīng)力分析，得到確定纏繞張力的公式。
　　 (3)利用C語言編程，設(shè)計(jì)軟件可對以上復(fù)雜數(shù)學(xué)公式求解，此軟件可根據(jù)已知的模芯和鋼帶材料性能參數(shù)，確定纏繞預(yù)緊力、纏繞層數(shù)和纏繞張力。
　　 在以上工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，根據(jù)得到的結(jié)果，總結(jié)各因素對疲勞設(shè)計(jì)結(jié)果的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論:
　　 (1)纏繞預(yù)應(yīng)力隨著模具負(fù)載的增加呈線性關(guān)系增加;而隨著纏繞層數(shù)的增加，預(yù)應(yīng)力值增加的速度逐漸變小。
　

4、　 (2)欲得到相同大小的纏繞預(yù)緊力，鋼帶越厚，鋼帶層數(shù)越少，但是，纏繞層厚度增加。
　　 (3)許用安全系數(shù)對預(yù)應(yīng)力和纏繞層數(shù)的影響很大，二者都會隨許用安全系數(shù)的增加而增加。
　　 (4)摩擦系數(shù)越小，得到相同大小的纏繞預(yù)緊力所需的鋼帶層數(shù)越少。
　　 (5)各因素對纏繞預(yù)應(yīng)力值和鋼帶層厚度的影響順序依次是:許用安全系數(shù)＞摩擦系數(shù)＞鋼帶厚度。
　　 為了得到鋼帶纏繞過程中預(yù)緊力的增長規(guī)律、分布規(guī)律及模

5、具的變形情況，本文采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對鋼帶纏繞預(yù)應(yīng)力模具纏繞過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，建立了有限元模型。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得到以下結(jié)論:
　　 (1)在定張力情況下，隨著纏繞層數(shù)的增加，模具表面預(yù)緊力增長的速度逐漸減小。
　　 (2)預(yù)緊力在模具表面沿周向和軸向分布不均勻。纏繞預(yù)緊力沿周向分布呈現(xiàn)波動且隨鋼帶層數(shù)增長波動程度有所加劇;預(yù)緊力沿軸向由中間向兩端逐漸減小，存在端部效應(yīng)。
　　 (3)隨