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钢轨万能轧制过程金属三维塑性流动机理研究

作　者: 张江涛
导　师: 董永刚
学　校: 燕山大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 钢轨万能轧制延伸宽展体积流动
分类号: TG335.43
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 33次
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内容摘要

高速铁路因其安全、高效、环保及低能耗的特点成为目前世界各国最重要的交通运输工具。钢轨作为轨道结构的重要部件，其段面尺寸精度、平直度直接影响铁路的行车安全和钢轨的使用寿命。目前运用的钢轨万能轧制过程延伸和宽展的解析公式都是直接或间接应用板带材轧制过程经验公式得到，而且均没有考虑轧制过程中轨头和轨腰以及轨底和轨腰断面交界处金属的横向流动，这种横向流动对轧后钢轨纵向延伸、断面尺寸以及轧后弯曲度都有直接影响。因此，分析钢轨万能轧制过程中金属的横向流动和纵向流动机理，建立准确的金属横向流动体积、体积流动速率以及纵向延伸系数预测模型，以制定合理的轧制规程，对高性能钢轨的生产具有非常重要的理论和实际意义。首先，对轧制模型进行必要、合理的简化并给出钢轨万能轧制总功率计算公式。在此基础上运用遗传算法以及真实速度场使总消耗功率最小的刚塑性变分原理，以轧制总功率为目标函数、轨头和轨底的延伸系数为优化系数求解出功率最小时钢轨的延伸系数。其次，根据轨头、轨底和轨腰接触变形区长度不一致，但在出孔型时这三部分又是作为一个统一的整体和整体体积不可压缩性条件，求解推导出钢轨三部分的延伸系数公式、金属横向流动体积计算公式。并在此基础上推导出金属横向体积流动速度公式。最后利用MATLAB软件求出不同变形工艺参数条件下的钢轨三部分延伸系数、金属横向流动体积以及金属横向体积流动速度变化曲线。最后，使用Pro/ENGINEER三维建模软件建立钢轨的轧件和轧辊的三维模型，导入到MARC有限元分析软件中，建立钢轨万能轧制的热力耦合有限元模拟计算模型，并进行有限元模拟得到钢轨万能轧制过程中的各部分宽展、延伸以及断面间金属横向位移。通过将理论计算结果与数值模拟结果进行对比可知：理论公式计算结果与钢轨万能轧制模拟结果比较接近，可以应用于钢轨实际生产对钢轨万能轧制三维塑性流动进行预测。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-16
  1.1 万能轧制技术的发展  10-12
  1.2 钢轨万能法轧制的特点  12-13
  1.3 钢轨万能轧制技术国内实验研究以及数值计算发展  13
  1.4 选题依据及研究内容和意义  13-16
    1.4.1 选题依据  14
    1.4.2 课题的研究内容和意义  14-16
第2章基于功率最小原理和遗产算法宽展计算  16-32
  2.1 遗传算法中的单目标优化  16-20
    2.1.1 单目标优化概述  16-17
    2.1.2 遗传算法概述  17-18
    2.1.3 基于遗传算法的单目标优化算法设计以及实现  18-19
    2.1.4 基于 MATLAB 的遗传算法工具箱  19-20
  2.2 钢轨万能轧制三维模型建立  20-21
  2.3 钢轨万能轧制过程中的总功率计算  21-26
    2.3.1 轨头轧制区的功率方程  21-23
    2.3.2 轨底轧制区的功率方程  23-24
    2.3.3 轨腰轧制区的功率方程  24-26
  2.4 遗传算法计算  26-31
    2.4.1 万能轧制过程工艺的设定  26-27
    2.4.2 功率公式的简化  27-28
    2.4.3 优化结果  28-31
  2.5 本章小结  31-32
第3章轧制过程延伸及断面间金属流动规律分析  32-55
  3.1 钢轨轧制过程理论模型有限元分析简化基本原则  32-33
  3.2 钢轨万能轧制过程计算模型的简化  33-35
    3.2.1 钢轨轨头立辊以及钢轨断面外形的理论简化  33-34
    3.2.2 钢轨轨底立辊以及钢轨断面外形的理论简化  34
    3.2.3 钢轨万能轧制过程数学模型的确定  34-35
  3.3 钢轨轧制过程钢轨延伸系数的确定  35-42
    3.3.1 轨头和轨底的宽展曲线确定  35-37
    3.3.2 钢轨三部分延伸系数的确定  37-42
  3.4 钢轨轧制过程金属流动体积及流动速度的确定  42-53
  3.5 本章小结  53-55
第4章钢轨万能轧制数值模拟及结果对比分析  55-70
  4.1 刚塑性有限元法理论  55-57
    4.1.1 刚塑性有限元法的发展和基本理论思想  55-57
    4.1.2 刚塑性有限元法的材料模型及理论基础  57
  4.2 MARC 有限元分析软件简介  57-58
  4.3 钢轨有限元模型的建立  58-63
    4.3.1 咬入条件模型的建立  58-59
    4.3.2 万能轧制模拟的几何模型的建立  59-61
    4.3.3 万能轧制过程工艺的设定  61-62
    4.3.4 万能轧制过程模拟参数的设定  62-63
  4.4 有限元模拟结果分析  63-69
    4.4.1 钢轨万能轧制过程中的位移分析  63-65
    4.4.2 钢轨万能轧制过程中的节点变化分析  65-68
    4.4.3 钢轨万能轧制过程中的宽展、延伸分析  68-69
  4.5 本章小结  69-70
结论  70-71
参考文献  71-74
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果  74-75
致谢  75-76
作者简介  76

钢轨万能轧制过程金属三维塑性流动机理研究

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