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船用大型组合式曲轴曲柄锻造工艺的数值模拟及实验研究

作　者: 武玉波
导　师: 聂绍珉
学　校: 燕山大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 大型曲轴曲柄弯锻法数值模拟有限元
分类号: TG316
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

曲轴是大型船用发动机的重要部件,大型船用组合式曲轴的曲柄是组成大型曲轴的关键零件。本文采用有限元数值模拟及实验研究方法,就大型曲柄的弯曲锻造工艺过程进行了研究,提出了“V 型弯曲”和“压平”两步成形的工艺方案。本文以 6-S60MC-C 组合曲轴曲柄为研究对象,以大型非线性有限元软件 ANSYS/LS-DYNA 为分析平台,采用大变形弹塑性有限元理论,对曲柄弯曲及压平过程作了数值模拟分析。文中分析了弯曲成形中出现的主要缺陷,提出了毛坯形状和尺寸、模具参数对成形质量的影响规律,在此基础上给出了毛坯图和模具图。通过对压平工序的数值模拟分析,找出了砧宽对压平成形质量的影响,给出了合理的砧宽。本文分析了曲柄弯曲成形力的影响因素,给出了弯曲成形力-行程曲线及压平力-行程曲线,为实际生产提供了理论依据。实验研究分别以铅和 45#钢为材料,以 1:10 的比例,进行了两次实验,实验结果与模拟计算结果吻合较好,表明本文给出的工艺方案具有工程应用价值。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-25
  1.1 发动机曲轴锻造工艺概述  10-15
    1.1.1 曲轴的自由锻工艺  11-12
    1.1.2 曲轴的模锻工艺  12-13
    1.1.3 曲轴全纤维锻造工艺  13-15
  1.2 大型船用组合式曲轴曲柄的锻造工艺概述  15-21
    1.2.1 大型船用曲轴的两种结构形式  15-18
    1.2.2 大型船用曲轴曲柄锻造工艺评述  18-21
  1.3 我国生产船用曲轴的现状及存在的问题  21-23
    1.3.1 我国造船业对船用曲轴的需求  21
    1.3.2 我国对大型船用曲轴进行生产实验的情况  21-22
    1.3.3 我国生产船用曲轴曲柄存在的主要问题  22-23
  1.4 本文的研究内容  23-25
第2章有限元数值模拟的基本理论  25-40
  2.1 锻造成形数值模拟的关键技术  25-26
  2.2 大变形弹塑性有限元法基础理论  26-32
    2.2.1 物体的构形及描述  26-28
    2.2.2 弹塑性大变形本构方程  28-29
    2.2.3 弹塑性大变形有限元列式  29-32
  2.3 大型非线性分析软件ANSYS/LS-DYNA 简介  32-33
  2.4 动态显式分析概述  33-37
    2.4.1 显式时间积分  33-35
    2.4.2 显式方法的条件稳定性  35-36
    2.4.3 显式算法对隐式算法的优越性  36-37
  2.5 接触和摩擦的处理  37-39
    2.5.1 接触的处理  37-38
    2.5.2 摩擦的处理  38-39
  2.6 本章小结  39-40
第3章大型船用曲轴曲柄弯曲锻造的数值模拟  40-80
  3.1 大型船用曲轴曲柄的质量要求  40-41
    3.1.1 锻件及粗加工零件图  40-41
    3.1.2 锻件的质量要求  41
  3.2 弯曲角的确定  41-46
  3.3 曲柄毛坯弯曲成形的缺陷分析  46-53
    3.3.1 分析模型  46-50
    3.3.2 主要缺陷及评价指标  50-53
  3.4 毛坯形状对成形质量的影响  53-62
    3.4.1 上表面凹槽对成形质量的影响分析  53-54
    3.4.2 R_1 对成形质量的影响分析  54-59
    3.4.3 侧槽形状和尺寸对成形质量的影响分析  59-62
  3.5 模具参数对成形质量的影响  62-67
    3.5.1 凹模圆角R_2 对成形质量的影响  62-65
    3.5.2 凹模斜度α对成形质量的影响  65-66
    3.5.3 凹模开口宽度L_0 对成形质量的影响  66-67
  3.6 其它参数对成形质量的影响  67-69
  3.7 毛坯及模具的修改设计  69-72
  3.8 压平工序的数值模拟分析  72-79
    3.8.1 第一砧的变形模拟  72-76
    3.8.2 第二砧变形模拟  76-79
  3.9 本章小结  79-80
第4章曲柄弯锻的成形力研究  80-89
  4.1 成形力的影响因素分析  80-85
    4.1.1 温度对成形力的影响  80-82
    4.1.2 凹模开口宽度L_0 对成形力的影响  82-83
    4.1.3 凹模斜角对成形力的影响  83-85
  4.2 给定毛坯的力—行程曲线  85-87
    4.2.1 垂直成形力的P-h 曲线  85
    4.2.2 模具水平力的Q-h 曲线  85-86
    4.2.3 压平力的W-s 曲线  86-87
  4.3 本章小结  87-89
第5章曲柄弯曲成形的实验研究  89-99
  5.1 试验目的  89
  5.2 实验方案设计  89-93
    5.2.1 实验件及加热温度  89-91
    5.2.2 实验用模具  91-93
    5.2.3 实验项目  93
    5.2.4 实验设备  93
  5.3 实验结果及分析  93-98
    5.3.1 实验成形过程  93
    5.3.2 实验结果及与计算结果的比较  93-97
    5.3.3 对实验结果的分析  97-98
  5.4 本章小结  98-99
结论  99-101
参考文献  101-105
攻读学位期间承担的科研任务与主要成果  105-106
致谢  106-107
作者简介  107

船用大型组合式曲轴曲柄锻造工艺的数值模拟及实验研究

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