兩面頂模具熱力耦合分析與纏繞張力數(shù)值模擬.pdf

1、我國超硬材料行業(yè)經(jīng)過四十多年的發(fā)展，已無可爭議地成為人造金剛石生產(chǎn)大國，金剛石年產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的七成以上，但生產(chǎn)技術(shù)含量低、產(chǎn)品檔次不高、牌號少，在高品級金剛石研發(fā)與生產(chǎn)上遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家，屬典型的大而不強(qiáng)。目前的現(xiàn)狀是，我國以六面頂裝置生產(chǎn)中、低檔金剛石為主，其產(chǎn)量占總量的98％左右，以兩面頂裝置生產(chǎn)的高檔產(chǎn)量只占總量的1～2％，這就使中低檔金剛石產(chǎn)品嚴(yán)重過剩，高檔產(chǎn)品嚴(yán)重不足。 國產(chǎn)兩面頂模具相關(guān)技術(shù)與國際先進(jìn)水平存在較

2、大差距，壽命低、生產(chǎn)成本高，嚴(yán)重制約了我國兩面頂模具技術(shù)的推廣、普及和發(fā)展。隨著兩面頂模具的日益大型化，模具核心部件--壓缸的使用壽命，已成為國產(chǎn)兩面頂技術(shù)發(fā)展的瓶頸。本課題正是順應(yīng)國際超硬材料合成設(shè)備的發(fā)展趨勢和國產(chǎn)兩面頂模具技術(shù)發(fā)展的迫切要求而提出并完成的。 到目前為止，國內(nèi)大型兩面頂模具的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)問題一直沒有得到很好的解決。為了改善壓缸的強(qiáng)度，延長其使用壽命，應(yīng)對兩面項(xiàng)模具的受力狀況進(jìn)行科學(xué)的分析，進(jìn)而對壓缸預(yù)應(yīng)力分

3、布狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而改善其受力狀態(tài)，確保壓缸的最佳工作性能。國內(nèi)兩面項(xiàng)模具設(shè)計(jì)方法多帶有人為的經(jīng)驗(yàn)，缺乏理論上的支持。此外，還值得探討的是，對于一種有效的模具預(yù)緊技術(shù)--鋼帶纏繞預(yù)應(yīng)力模具，國外已針對其工業(yè)應(yīng)用開展了大量研究，而國內(nèi)幾乎還是空白。 本文以兩面頂模具壓缸為研究對象，綜合運(yùn)用理論分析和數(shù)值模擬方法，以接觸問題和非線性有限元法的基本理論為基礎(chǔ)，開展兩面頂模具壓缸熱力耦合分析、對模具的失效機(jī)理進(jìn)行力學(xué)分析以及鋼帶纏繞

4、預(yù)應(yīng)力模具纏繞過程的數(shù)值模擬研究，并將數(shù)值模擬與優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了iSIGHT環(huán)境下壓缸預(yù)緊力的優(yōu)化。 第一，本文借助MARC軟件平臺(tái)建立了壓缸和外層預(yù)應(yīng)力環(huán)真實(shí)壓裝配合的有限元分析模型，得到模具在僅受預(yù)緊力作用下的應(yīng)力分布。通過與Lame公式理論解的比較，驗(yàn)證了利用MARC的接觸算法模擬過盈裝配的可行性和適用性。 第二，本文利用FORTRAN語言編制MARC用戶子程序，實(shí)現(xiàn)壓缸溫度和應(yīng)力邊界條件的自動(dòng)、精確加載，建

5、立了完善的仿真模型。在此基礎(chǔ)上，分析了壓缸在工作狀態(tài)下受預(yù)緊力、內(nèi)壓力和熱載荷相互耦合作用時(shí)的受力狀況，獲得了等效應(yīng)力分布、熱應(yīng)力以及接觸應(yīng)力各個(gè)分量的分布和變化規(guī)律。文中所做的熱力耦合分析，模擬了生產(chǎn)過程中壓缸的實(shí)際受力情況，使得數(shù)值模擬更客觀地反映了壓缸的受力狀態(tài)。針對以上有限元分析結(jié)果，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中壓缸主要的三種破壞形式，從力學(xué)角度闡明了壓缸的失效原因。第三，本文通過MARC軟件建立了鋼帶纏繞模具纏繞過程的動(dòng)態(tài)模型，對鋼帶纏繞過

6、程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了鋼帶纏繞過程中鋼帶內(nèi)部的等效應(yīng)力、層間壓力等信息。以上研究工作對纏繞張力設(shè)計(jì)理論以及生產(chǎn)實(shí)踐具有非常重要的意義。 第四，本文將數(shù)學(xué)規(guī)劃思想引入到壓缸預(yù)緊力的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，采用了有限元分析軟件MARC、優(yōu)化平臺(tái)iSIGHT，以及自編FORTRAN語言程序?qū)崿F(xiàn)了數(shù)值模擬軟件與優(yōu)化軟件的集成。完成了iSIGHT引導(dǎo)MARC進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的修改與調(diào)用批處理文件自動(dòng)進(jìn)行有限元分析，大量節(jié)約了人機(jī)交互過程，省去了以往人