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钢轨异形坯轧制理论研究与数值模拟

作　者: 张龙
导　师: 董永刚
学　校: 燕山大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 钢轨异形坯孔型变分法轧制功率 DEFORM
分类号: TG335.43
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

铁路运输以其高速、高效、安全性、大运量等优点成为我国重要的交通运输方式，在可预见的将来铁路仍是陆路运输的主要工具。钢轨作为重要的基础材料，虽已经过了一个多世纪的发展，相关技术至今仍方兴未艾，尤其是随着高速铁路，重载铁路和城市快速铁路的发展，对钢轨提出了越来越苛刻的要求，因此钢轨相关理论尤其是轧制理论的深入研究便显得更加迫切。由于目前钢轨万能轧制坯料中近终形异形坯的连铸技术仍不成熟，进入万能轧机的坯料仍需开坯，即矩形坯通过开坯机经过若干道次轧制轧成钢轨异形坯，最终完成钢轨的万能轧制。目前钢轨异形坯轧制的相关理论主要借鉴孔型轧制理论，尤其是工字钢轧制理论，并辅以现场经验，相关深入的理论研究较少。本文利用刚塑性有限元的变分法对钢轨异形坯的轧制过程进行了较为深入的研究，详细分析了钢轨异形坯轧制过程的变形机理，为进一步提高钢轨轧制的质量提供了有益的借鉴。本文首先对钢轨异形坯轧制的相关理论进行了深入研究，详细分析了坯料在钢轨异形坯孔型中的变形规律。钢轨异形坯轧制均为二辊孔型轧制，孔型轧制不同于平辊轧制且轧件为高轧件，轧制过程中需考虑外区、沿轧件宽度方向不均匀的压下量、轧件与轧辊接触的非同时性、孔型侧壁及形状、轧辊线速度差以及孔型开闭口侧等因素对轧制过程的影响。其次利用刚塑性有限元的变分法对钢轨异形坯轧制过程进行了理论研究。利用轧件在箱形孔和帽形孔中的变形特点并考虑变分法中速度场设定的一些假定设定了轧件在箱形孔和帽形孔轧制时的运动学许可速度场,并详细分析了轧制变形区的变化规律，确定了孔型中轧制变形区内断面高度、轧辊工作半径等重要参数，据此求解了塑性变形功率，并利用对坐标的曲面积分求解了摩擦功率，以及速度不连续面的剪切功率，进而得到了箱形孔和帽形孔的轧制功率。最后利用刚塑性有限元分析软件DEFORM对钢轨异形坯系统的轧制过程进行模拟，得到了轧件在不同孔型不同道次轧制过程中的变形参数和变形规律，对轧件的金属塑性流动速度、应力、应变的变化规律进行了详细的分析，并对轧件典型道次的不均匀变形做了详细的分析，最后对轧制力矩在理论计算、数值模拟、现场数据三种情况下进行了对比分析，验证了理论分析过程中速度场设定以及功率求解的正确性，从而验证了轧件在钢轨异形坯孔型中的变形规律。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
第1章绪论  11-17
  1.1 钢轨的诞生与发展  11-13
    1.1.1 国外钢轨的历史与发展  11-12
    1.1.2 中国钢轨的历史与发展  12-13
  1.2 钢轨的分类  13-14
  1.3 课题的来源、意义和主要研究内容  14-17
    1.3.1 课题来源  14
    1.3.2 选题意义  14-15
    1.3.3 研究内容  15-17
第2章钢轨异形坯轧制相关理论  17-26
  2.1 钢轨异形坯综述  17-18
  2.2 孔型轧制轧件的变形特点  18-22
    2.2.1 简单孔型轧制轧件的变形特点  18-20
    2.2.2 复杂孔型轧制轧件的变形特点  20-22
  2.3 刚塑性有限元在钢轨异形坯轧制中的应用  22-25
  2.4 本章小结  25-26
第3章钢轨异形坯轧制过程理论研究  26-48
  3.1 钢轨异形坯轧制过程综述  26-30
    3.1.1 孔型中的宽展  27-28
    3.1.2 孔型中的前滑  28-29
    3.1.3 孔型中的平均单位压力  29-30
  3.2 异型孔简化原则  30
  3.3 箱形孔轧制  30-34
    3.3.1 箱形孔中轧件的变形特点  31-32
    3.3.2 箱形孔中轧件速度场的设定  32-34
    3.3.3 箱形孔的轧制功率  34
  3.4 帽形孔轧制  34-43
    3.4.1 帽形切深孔中轧件的变形特点  35-36
    3.4.2 帽形切深孔中轧件速度场的设定  36-38
    3.4.3 帽形切深孔的轧制功率  38-39
    3.4.4 帽形立压孔中轧件的变形特点  39-40
    3.4.5 帽形立压孔中轧件速度场的设定  40-42
    3.4.6 帽形立压孔的轧制功率  42-43
  3.5 上限原理求解轧制力矩  43-44
  3.6 轨型孔轧制  44-47
    3.6.1 轨形切深孔变形特点  45-46
    3.6.2 轨形立压孔变形特点  46-47
  3.7 本章小结  47-48
第4章钢轨异形坯轧制过程数值模拟  48-70
  4.1 DEFORM 有限元分析软件简介  48-49
  4.2 轧制模型的建立  49-50
  4.3 单元网格的划分  50
  4.4 轧制模拟参数的确定  50-51
  4.5 轧制规程的选择  51-52
  4.6 模拟结果  52-62
    4.6.1 箱形孔模拟结果  52-55
    4.6.2 帽形孔模拟结果  55-59
    4.6.3 轨形孔模拟结果  59-62
  4.7 典型道次不均匀变形分析  62-67
  4.8 轧制过程轧制力矩的对比研究  67-69
  4.9 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研究成果  74-75
致谢  75-76
作者简介  76

钢轨异形坯轧制理论研究与数值模拟

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