環(huán)件虛擬軋制技術(shù)及過(guò)程優(yōu)化研究.pdf

1、環(huán)件軋制技術(shù)是借助于軋環(huán)機(jī)使環(huán)件產(chǎn)生壁厚減下、直徑擴(kuò)大、截面輪廓成形的局部塑性加工工藝，具有節(jié)能、節(jié)材、生產(chǎn)率高、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品范圍廣等顯著特點(diǎn)，在機(jī)械、冶金、化工、能源、航空航天等許多工業(yè)領(lǐng)域中得到日益廣泛的應(yīng)用，成為軸承環(huán)、齒輪環(huán)、法蘭環(huán)、火車車輪、燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)等各種無(wú)縫環(huán)件零件的先進(jìn)制造技術(shù)和主要加工方法。
　　 近20年以來(lái)，隨著有限元理論逐步完善和相關(guān)有限元軟件廣泛推廣，基于通用有限元軟件采用計(jì)算機(jī)模擬環(huán)件軋制過(guò)程代替

2、傳統(tǒng)依靠工程師經(jīng)驗(yàn)的試錯(cuò)法成為研究的熱點(diǎn)。然而環(huán)件軋制不僅具有普通的平板軋制、異步軋制、多道次軋制的性質(zhì)，而且涉及到芯輥和錐輥直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、主輥旋轉(zhuǎn)軋制運(yùn)動(dòng)、抱輥導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)以及環(huán)件自身的轉(zhuǎn)動(dòng)和直徑擴(kuò)大運(yùn)動(dòng)，因此在同一數(shù)值模擬仿真模型中既要模擬環(huán)件復(fù)雜的金屬流動(dòng)，又要實(shí)現(xiàn)各軋輥運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)時(shí)變化，一直成為環(huán)件軋制數(shù)值模擬研究的難點(diǎn)。
　　 為了跟蹤這些研究熱點(diǎn)，解決這些難點(diǎn)問(wèn)題，本文在前人研究工作的基礎(chǔ)上開(kāi)展了以下幾個(gè)方面的研究工作

3、。
　　 (1)首先基于通用動(dòng)力顯式有限元軟件LSDYNA建立了環(huán)件軋制數(shù)值模擬仿真模型，采用質(zhì)量縮放等技術(shù)有效降低計(jì)算時(shí)間，克服了環(huán)件軋制數(shù)值模擬過(guò)程對(duì)計(jì)算機(jī)性能和長(zhǎng)時(shí)間計(jì)算的要求；然后采用大型結(jié)構(gòu)分析有限元軟件ANSYS的APDL參數(shù)化語(yǔ)言，建立了環(huán)件軋制過(guò)程中復(fù)雜數(shù)控系統(tǒng)仿真模型，實(shí)現(xiàn)了環(huán)件軋制運(yùn)動(dòng)參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)用修正，克服了在環(huán)件軋制金屬流動(dòng)模擬過(guò)程中不能求解含未知變量的問(wèn)題；最后對(duì)這兩個(gè)模型集成建立了環(huán)件虛擬軋制自動(dòng)修正有

4、限元仿真模型(簡(jiǎn)稱AMFE)，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)件金屬流動(dòng)和軋環(huán)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)耦合實(shí)時(shí)仿真。
　　 (2)基于AMFE虛擬軋制仿真模型對(duì)某矩形截面環(huán)件的一個(gè)生產(chǎn)周期軋制過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，計(jì)算結(jié)果和德國(guó)SMS Wagner-Banning 公司的ROLLTECH實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、美國(guó)P.V.Ranatunga博士的UBET計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果顯示AMFE模型仿真數(shù)據(jù)與上述數(shù)據(jù)基本吻合，從而驗(yàn)證AMFE仿真模型的可靠性，同時(shí)AMFE模

5、型仿真結(jié)果還顯示了環(huán)件軋制過(guò)程任意時(shí)刻的應(yīng)力、應(yīng)變和位移云圖，以及環(huán)件軋制實(shí)時(shí)擴(kuò)展和缺陷生成的動(dòng)態(tài)過(guò)程，而這些數(shù)據(jù)是環(huán)件軋制工程師急需想要而其它研究方法很難得到的，驗(yàn)證AMFE仿真模型具有精度好、功能強(qiáng)、效率高等特點(diǎn)。該環(huán)件實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)虛擬軋制方法的成功實(shí)現(xiàn)，突破了傳統(tǒng)環(huán)件軋制過(guò)程二維、三維局部或者三維瞬態(tài)的研究。
　　 (3)基于AMFE環(huán)件虛擬軋制仿真模型，進(jìn)一步對(duì)環(huán)件虛擬軋制過(guò)程優(yōu)化進(jìn)行探討，針對(duì)于不同情況，提出兩種優(yōu)化方案，

6、一是采用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱對(duì)環(huán)件軋制規(guī)程、初始毛坯進(jìn)行優(yōu)化分析，二是以縮短軋制時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)，建立環(huán)件虛擬軋制過(guò)程優(yōu)化仿真模型，對(duì)優(yōu)化變量、優(yōu)化策略、優(yōu)化過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)分析。并以某矩形截面環(huán)件虛擬軋制仿真模型為研究對(duì)象，采用兩種方案分別對(duì)環(huán)件軋制過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)優(yōu)化變量(材料模型、質(zhì)量縮放、網(wǎng)格細(xì)化、芯輥進(jìn)給、錐輥進(jìn)給、磨擦系數(shù)等)進(jìn)行了優(yōu)化對(duì)比分析，最后對(duì)環(huán)件虛擬軋制過(guò)程整體優(yōu)化分析，得出了合適的軋制規(guī)程、軋制毛坯及其他軋制工

7、藝參數(shù)。這些問(wèn)題的研究超越了前人僅僅停留在如何建立環(huán)件軋制三維仿真模型問(wèn)題上的研究，從而拓寬了環(huán)件軋制數(shù)值模擬技術(shù)研究領(lǐng)域。
　　 (4)為了把AMFE環(huán)件虛擬軋制仿真模型延展到異形截面環(huán)件軋制過(guò)程的研究，論文對(duì)異形截面環(huán)件虛擬軋制過(guò)程特點(diǎn)進(jìn)行了分析，對(duì)一些關(guān)鍵技術(shù)提出了解決方案，分別建立了Φ500型徑向軋環(huán)機(jī)、RAW200/160-5型徑軸向軋環(huán)機(jī)的AMFE虛擬軋制仿真模型，在國(guó)內(nèi)外首次對(duì)汽車后橋從動(dòng)傘齒輪鍛件、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪