專利名稱：雙層圓擠壓筒過盈量參數(shù)化設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種雙層圓擠壓筒內(nèi)外襯尺寸參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，尤其涉及雙層圓擠壓筒 過盈裝配和擠壓時(shí)的計(jì)算和模擬，為擠壓筒的內(nèi)外襯厚度和過盈量選擇提供參考依據(jù)。
背景技術(shù)：
擠壓過程是高溫高壓高摩擦過程，擠壓工模具設(shè)計(jì)與制造是鋁合金型材擠壓生產(chǎn) 的關(guān)鍵技術(shù)，不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和交貨周期，而且也是決定生產(chǎn)成本的重要因素之一。擠壓筒屬于擠壓工具中最昂貴的大型消耗件。雙層擠壓筒過盈組合套裝能有效減 小應(yīng)力峰值，提高擠壓筒的耐用性。因此，過盈量的合理選擇，成為擠壓工具設(shè)計(jì)的重要參 數(shù)，也是設(shè)計(jì)難點(diǎn)。過盈量過小，不足以降低合成拉應(yīng)力值；過大會(huì)使襯套產(chǎn)生塑性變形和 更換內(nèi)襯套的困難。過盈值選擇適當(dāng)可使擠壓筒壽命提高3-4倍，大大降低生產(chǎn)成本。目前，雙層圓擠壓筒過盈量大小設(shè)計(jì)的主要方法有兩種。一種是理論計(jì)算結(jié)合個(gè) 人經(jīng)驗(yàn)確定參數(shù)，再進(jìn)行強(qiáng)度校核方法；另一種是采用有限元軟件模擬分析的方法。理論法主要是先根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式確定各層的厚度，再通過擠壓力計(jì)算出最小過 盈量，通過理論進(jìn)行強(qiáng)度校核。這種方法優(yōu)點(diǎn)是直觀，直接根據(jù)公式結(jié)合設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，設(shè) 定過盈參數(shù)。缺點(diǎn)是與設(shè)計(jì)者的閱歷和經(jīng)驗(yàn)有關(guān)，不確定因素大，容易造成損失。有限元法是一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，是現(xiàn)在設(shè)計(jì)部門普遍采用的方法，計(jì)算結(jié)果精 確。缺點(diǎn)是有限元軟件的每次計(jì)算都要先建立一次模型進(jìn)行分析，但其對(duì)參數(shù)的選定帶有 盲目性，造成設(shè)時(shí)間的浪費(fèi)，使所選參數(shù)分析的結(jié)果缺乏預(yù)見性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的提出，旨在克服現(xiàn)有擠壓筒過盈量參數(shù)設(shè)計(jì)方法中的不確定因素、計(jì)算 量大、不易掌握和耗費(fèi)大量勞動(dòng)力和設(shè)計(jì)時(shí)間的缺點(diǎn)，提出了一種參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，將理論 法和有限元法通過編程合二為一，采用經(jīng)典彈性力學(xué)的計(jì)算公式進(jìn)行初步計(jì)算，并將合理 的計(jì)算結(jié)果作參數(shù)，利用有限元分析法驗(yàn)證，對(duì)比兩次分析的結(jié)果，最終確定過盈量的大 小。從而節(jié)省人力和時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種雙層圓擠壓筒過盈量參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，包括在公知計(jì)算機(jī)上裝入《雙層圓擠 壓筒過盈量參數(shù)化計(jì)算和模擬軟件.exe))的步驟，其特征在于設(shè)計(jì)過程包括下述步驟(1)打開所述軟件，在彈出的《雙層圓擠壓筒過盈量參數(shù)化計(jì)算系統(tǒng)》界面上點(diǎn)擊 “進(jìn)入計(jì)算”按鈕，進(jìn)入計(jì)算；(2)輸入計(jì)算需要的參數(shù)，包括公稱壓力、彈性模量、內(nèi)外襯套初始尺寸，得出裝配 和擠壓兩種狀態(tài)的分層半徑、裝配壓力、各層的應(yīng)力值大?。?3)理論計(jì)算裝配應(yīng)力，在傳統(tǒng)分層半徑公式、拉梅公式基礎(chǔ)上，假設(shè)擠壓筒為全 彈性狀態(tài)、符合小變形、線彈性本構(gòu)方程、滿足疊加原理的條件下，根據(jù)推理公式先求得兩
3層之間的套裝壓力狀態(tài)，再將只有內(nèi)壓而無過盈的擠壓筒應(yīng)力狀態(tài)與套裝壓力狀態(tài)進(jìn)行疊 加，求得擠壓筒套裝后任意位置的等效應(yīng)力；(4)將在過盈加壓時(shí)的內(nèi)襯內(nèi)側(cè)的擠壓筒應(yīng)力略大于外襯內(nèi)側(cè)應(yīng)力的情況判斷結(jié) 果為合理，確認(rèn)為最佳優(yōu)選參數(shù)；若計(jì)算結(jié)果判斷為不合理，則返回步驟(2)；(5)點(diǎn)擊進(jìn)入“有限元模擬”按鈕，進(jìn)入有限元分析結(jié)果界面，建立過Z軸的平面， 在平面上進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分徑向和軸向網(wǎng)格；(6)定義彈性材料、楊氏模量，施加到所有面單元；(7)定義接觸，設(shè)定過盈分析；(8)選中內(nèi)襯側(cè)面單元施加內(nèi)壓，繞軸線旋轉(zhuǎn)，得到三維模型；(9)設(shè)置計(jì)算工況，第一工況為過盈裝配，第二工況為加內(nèi)壓；(10)設(shè)置計(jì)算參數(shù)，提交分析，判斷結(jié)果是否合理，若不合理，則返回步驟(2)；(11)保存Mises應(yīng)力圖片和曲線結(jié)果；(12)點(diǎn)擊“結(jié)束”按鈕，退出系統(tǒng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于將理論計(jì)算和有限元方法的計(jì)算過程進(jìn)行編程，使用者只要打開編好的軟件輸入 數(shù)值，就可以找到最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)，使用起來方便、快捷、準(zhǔn)確?？s短設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)備 的設(shè)計(jì)水平，為設(shè)計(jì)合理耐用的擠壓筒提供直接依據(jù)。


本發(fā)明有附圖4幅，其中圖1是本發(fā)明軟件使用流程圖。圖2是本發(fā)明軟件界面。圖3是本發(fā)明軟件理論計(jì)算界面。圖4是本發(fā)明軟件有限元計(jì)算結(jié)果界面。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖所示。一種雙層圓擠壓筒過盈量參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，包括在公知計(jì)算機(jī)上裝入 《雙層圓擠壓筒過盈量參數(shù)化計(jì)算和模擬軟件.exe))的步驟，其特征在于設(shè)計(jì)過程包括下 述步驟首先輸入理論計(jì)算需要的數(shù)值，如公稱壓力、彈性模量、內(nèi)外襯套初始尺寸，就能得 出裝配和擠壓兩種狀態(tài)的分層半徑、裝配壓力、各層的應(yīng)力值大小。通過調(diào)整各層厚度和 過盈量，優(yōu)選出最符合要求的數(shù)值。在傳統(tǒng)分層半徑公式、拉梅公式基礎(chǔ)上，假設(shè)擠壓筒為 全彈性狀態(tài)，符合小變形，線彈性本構(gòu)方程，滿足疊加原理的條件下，先根據(jù)推理公式求得 兩層之間的套裝壓力狀態(tài)，再將只有內(nèi)壓無過盈的擠壓筒應(yīng)力狀態(tài)與套裝壓力狀態(tài)進(jìn)行疊 加，求得擠壓筒套裝后任意位置的等效應(yīng)力。這些推理公式包括分層半徑公式為I = ^f(1-1) O2 c-b +O1式中δ工為內(nèi)襯僅受裝配外壓過盈量/mm
δ 2為外襯僅受裝配內(nèi)壓過盈量/mm常溫時(shí)的套裝壓力公式 Γ EH-
_6]— W^)(1-2)式中E為楊式模量設(shè)擠壓筒為全彈性狀態(tài)，符合小變形，線彈性本構(gòu)方程并滿足疊加原理?xiàng)l件下，采 用疊加算法求得套裝后任意位置應(yīng)力值的公式為Qr= or' +ot" (1-3)O0=O0' +O0" (1-4)式中ο r套裝加壓后徑向應(yīng)力/Nσ θ套裝加壓后周向應(yīng)力/NOr'套裝徑向應(yīng)力/Nσ/套裝周向應(yīng)力/Nσ r"無套裝加壓徑向應(yīng)力/Nσ θ “無套裝加壓周向應(yīng)力/N對(duì)于塑料材料，采用Mises等效應(yīng)力計(jì)算擠壓筒的內(nèi)襯任意位置等效應(yīng)力公式為σ =嚴(yán)2 + 心 +2(σ- -σ-.)2(1-5)
「00491rr_+ aBnei + (t7T^i ~ f7Onei)/1
L」i7Z^ses _wai —、2、丄合理的結(jié)果值，應(yīng)是在過盈加壓時(shí)，內(nèi)襯內(nèi)側(cè)的擠壓筒應(yīng)力略大于外襯內(nèi)側(cè)應(yīng)力 的情況，以此優(yōu)選最佳參數(shù)。然后進(jìn)入有限元分析，并與其軟件求解器接合，調(diào)整好網(wǎng)格劃分的尺寸，就可以直 接運(yùn)行有限元求解器自動(dòng)計(jì)算。提供Mises等效應(yīng)力的分布和曲線圖與理論計(jì)算結(jié)果對(duì) 比。如果兩者相差不大，滿足設(shè)計(jì)要求，就可確定為最終設(shè)計(jì)參數(shù)。編程過程如下1、過原點(diǎn)，以Z軸為軸線，建立過Z軸的平面。2、在平面上進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分徑向和軸向網(wǎng)格。3、定義彈性材料，楊氏模量，施加到所有面單元。4、定義接觸，設(shè)定過盈分析。5、選中內(nèi)襯側(cè)面單元施加內(nèi)壓，繞軸線旋轉(zhuǎn)，得到三維模型。6、設(shè)置計(jì)算工況，第一工況為過盈裝配，第二工況為加內(nèi)壓。7、設(shè)置計(jì)算參數(shù)，提交分析。8、后處理中，保存Mises應(yīng)力圖片和曲線結(jié)果。9、結(jié)束分析。以上與求解器的結(jié)合過程全部采用程序編寫，無需逐步操作，自動(dòng)完成。完成后可 以用本發(fā)明查看擠壓筒內(nèi)外襯力學(xué)性態(tài)，對(duì)比理論分析結(jié)果，為設(shè)計(jì)參數(shù)的最終確定提供 依據(jù)。實(shí)施例1首先打開本軟件(雙層圓擠壓筒過盈量參數(shù)化計(jì)算和模擬軟件.exe)，就會(huì)出現(xiàn)
5圖2所示的界面，點(diǎn)擊“進(jìn)入計(jì)算”按鈕，進(jìn)入到圖3所示的理論計(jì)算界面。輸入要計(jì)算的擠壓機(jī)公稱壓力5500噸，楊氏模量根據(jù)不同情況給出，本例中楊氏 模量為170000，然后輸入內(nèi)套內(nèi)半徑200mm、內(nèi)套外半徑300. 66mm、外套內(nèi)半徑300mm、外套 外半徑600mm的數(shù)值。這幾個(gè)數(shù)值是可改變的，從而得到不同計(jì)算結(jié)果。點(diǎn)擊右邊的“過盈裝配”，軟件自動(dòng)計(jì)算出裝配時(shí)的過盈量0.66mm、內(nèi)套內(nèi)壓 437MPa、分層半徑300mm、裝配壓力87MPa、內(nèi)套內(nèi)層等效應(yīng)力315MPa、內(nèi)套外層等效應(yīng)力 198MPa、外套內(nèi)層等效應(yīng)力204MPa、外套外層等效應(yīng)力58MPa。點(diǎn)擊右邊的工作內(nèi)壓，軟件 會(huì)自動(dòng)計(jì)算出工作時(shí)的內(nèi)套內(nèi)層等效應(yīng)力/MPa、內(nèi)套外層等效應(yīng)力/MPa、外套內(nèi)層等效應(yīng) 力/Mpa、外套外層等效應(yīng)力/Mpa。一般情況下，以工作狀態(tài)時(shí)內(nèi)套內(nèi)層等效應(yīng)力略高于外 套內(nèi)層等效應(yīng)力為宜。設(shè)定為內(nèi)套內(nèi)半徑=200mm,內(nèi)套外半徑=300. 66mm，外套內(nèi)半徑= 300mm，外套外半徑=600mm。中間為圖形演示區(qū)域。然后點(diǎn)擊進(jìn)入“有限元計(jì)算”進(jìn)入圖4 所示的界面。設(shè)定網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)目，分橫向和縱向數(shù)目，可以演示設(shè)定后網(wǎng)格的疏密程度。網(wǎng)格 密，計(jì)算量耗時(shí)，結(jié)果精度高。網(wǎng)格稀疏，計(jì)算速度快，結(jié)果精度低。此例中軸向單元數(shù)為 20，徑向單元數(shù)為10。設(shè)定好網(wǎng)格，點(diǎn)擊“運(yùn)行”。自動(dòng)調(diào)用求解器，得到分析結(jié)果。點(diǎn)擊裝配應(yīng)力、裝配曲線、工作應(yīng)力、工作曲線可以看到不同分析結(jié)果。圖4為裝 配應(yīng)力分布圖，最大值為587MPa。對(duì)比理論計(jì)算的結(jié)果，可知內(nèi)套內(nèi)半徑應(yīng)力588MPa，略大 于外套內(nèi)半徑應(yīng)力587MPa，對(duì)于同種材料，這個(gè)值是合適的。可以確定采用設(shè)定的參數(shù)。點(diǎn)擊“生成報(bào)告”，保存計(jì)算的結(jié)果。點(diǎn)擊“結(jié)束計(jì)算”退出系統(tǒng)。
權(quán)利要求
一種雙層圓擠壓筒過盈量參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，包括在公知計(jì)算機(jī)上裝入《雙層圓擠壓筒過盈量參數(shù)化計(jì)算和模擬軟件.exe》的步驟，其特征在于設(shè)計(jì)過程包括下述步驟(1)打開所述軟件，在彈出的《雙層圓擠壓筒過盈量參數(shù)化計(jì)算系統(tǒng)》界面上點(diǎn)擊“進(jìn)入計(jì)算”按鈕，進(jìn)入計(jì)算；(2)輸入計(jì)算需要的參數(shù)，包括公稱壓力、彈性模量、內(nèi)外襯套初始尺寸，得出裝配和擠壓兩種狀態(tài)的分層半徑、裝配壓力、各層的應(yīng)力值大?。?3)理論計(jì)算裝配應(yīng)力，在傳統(tǒng)分層半徑公式、拉梅公式基礎(chǔ)上，假設(shè)擠壓筒為全彈性狀態(tài)、符合小變形、線彈性本構(gòu)方程滿足疊加原理的條件下，根據(jù)推理公式先求得兩層之間的套裝壓力狀態(tài)，再將只有內(nèi)壓而無過盈的擠壓筒應(yīng)力狀態(tài)與套裝壓力狀態(tài)進(jìn)行疊加，求得擠壓筒套裝后任意位置的等效應(yīng)力；(4)將在過盈加壓時(shí)的內(nèi)襯內(nèi)側(cè)的擠壓筒應(yīng)力略大于外襯內(nèi)側(cè)應(yīng)力的情況判斷結(jié)果為合理，確認(rèn)為最佳優(yōu)選參數(shù)；若計(jì)算結(jié)果判斷為不合理，則返回步驟(2)；(5)點(diǎn)擊進(jìn)入“有限元模擬”按鈕，進(jìn)入有限元分析結(jié)果界面，建立過Z軸的平面，在平面上進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分徑向和軸向網(wǎng)格；(6)定義彈性材料、楊氏模量，施加到所有面單元；(7)定義接觸，設(shè)定過盈分析；(8)選中內(nèi)襯側(cè)面單元施加內(nèi)壓，繞軸線旋轉(zhuǎn)，得到三維模型；(9)設(shè)置計(jì)算工況，第一工況為過盈裝配，第二工況為加內(nèi)壓；(10)設(shè)置計(jì)算參數(shù)，提交分析，判斷結(jié)果是否合理，若不合理，則返回步驟(2)；(11)保存Mises應(yīng)力圖片和曲線結(jié)果；(12)點(diǎn)擊“結(jié)束”按鈕，退出系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙層圓擠壓筒過盈量參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于利用裝在公知計(jì)算機(jī)上的專用軟件，通過理論公式采用疊加計(jì)算的方法對(duì)雙層圓擠壓筒過盈量產(chǎn)生的裝配壓力和工作壓力進(jìn)行計(jì)算，得到雙層擠壓筒內(nèi)外徑等效應(yīng)力值，對(duì)比結(jié)果優(yōu)選設(shè)計(jì)參數(shù)。然后進(jìn)行仿真計(jì)算，并在假設(shè)擠壓筒為彈性體，在現(xiàn)有分層經(jīng)驗(yàn)公式、拉梅公式、疊加算法和等效應(yīng)力計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，得到計(jì)算雙層擠壓筒各自的內(nèi)外徑上的等效應(yīng)力的計(jì)算方法，通過理論計(jì)算得到優(yōu)選參數(shù)，然后通過仿真計(jì)算得到力學(xué)性態(tài)分布，為設(shè)計(jì)合理過盈量提供直接根據(jù)。本方法具有方便、快捷、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)效果顯著。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101944143SQ20101026422
公開日2011年1月12日 申請日期2010年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月25日
發(fā)明者孫遠(yuǎn)國, 宋清玉, 殷文齊, 趙蓬 申請人:一重集團(tuán)大連設(shè)計(jì)研究院有限公司;中國第一重型機(jī)械股份公司