汽车铰链热轧扭转变形的有限元分析.pdf
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1、 第卷第期上海金属,年月,基 金 项 目:省 部 共 建 耐 火 材 料 与 冶 金 国 家 重 点 实 验 室 基 金()作 者 简 介:程 书 鹏,男,硕 士,主 要 从 事 金 属 材 料 加 工 研 究,:汽 车 铰 链 热 轧 扭 转 变 形 的 有 限 元 分 析程 书 鹏周顺李 均 禹(武 汉 科 技 大 学 材 料 与 冶 金 学 院,湖 北 武 汉)【摘 要】针 对 型 钢 铰 链 在 热 轧 过 程 中 常 见 的 扭 转 缺 陷,建 立 了 轧 件 轧 制 过 程 的 有 限 元 模型,并 采 用 正 交 试 验 分 析 了 轧 辊 直 径、电 机 转 速 和 孔 型 偏
2、 转 角 对 轧 件 扭 转 变 形 的 影 响。结 果 表明:随 着 轧 辊 直 径 的 增 加,扭 转 角 逐 渐 增 大;随 着 电 机 转 速 的 增 大,扭 转 角 先 增 大 后 减 小;随 着 孔型 偏 转 角 的 增 大,扭 转 角 先 增 大 后 逐 渐 减 小,在 孔 型 偏 转 角 为 时 达 到 最 大。孔 型 偏 转 角 对扭 转 变 形 的 影 响 较 大。通 过 回 归 模 型 求 得,在 轧 辊 直 径 为、电 机 转 速 为 、孔 型偏 转 角 为 的 工 艺 参 数 条 件 下 轧 件 的 扭 转 角 最 小,并 采 用 轧 制 试 验 验 证 了 模 型
3、的 准 确 性。【关 键 词】型 钢 铰 链,热 轧,有 限 元,正 交 试 验,扭 转 变 形中 图 分 类 号:文 章 编 号:()(,)【】,();(),;(),【】,铰 链 是 车 门 的 主 要 承 重 部 件,实 现 车 门 开 启和 闭 合。冲 压 铰 链 易 于 成 形,生 产 成 本 较 低,目 前在 车 门 上 应 用 较 多。型 钢 铰 链 是 用 型 钢 切 割 而成,较 冲 压 铰 链 结 构 更 小,定 位 复 杂,但 其 刚 性 好,第期程 书 鹏 等:汽 车 铰 链 热 轧 扭 转 变 形 的 有 限 元 分 析 更 加 灵 活,也 更 耐 磨。随 着 对 整
4、车 性 能 的 要 求不 断 提 高,对 型 钢 铰 链 的 需 求 量 也 越 来 越 大。型 钢 因 其 外 形 不 规 则,在 轧 制 过 程 中 易 出 现扭 转 变 形 缺 陷,许 多 学 者 对 此 进 行 了 研 究。等分 析 了 温 度 变 化 与 扭 转 角 度 的 关 系,发 现 通 过 调 整 轧 制 温 度 可 以 控 制 扭 转 变 形,但 开轧 温 度 范 围 较 大,会 导 致 轧 制 压 力 变 化 较 大,在 实际 生 产 中,扭 转 角 难 以 控 制。等采 用 有 限 元软 件 建 立 了 型 钢 轧 制 热 力 耦 合 模 型,分 析 了 各 变形 区
5、摩 擦 因 数 对 扭 转 程 度 的 影 响,发 现 通 过 多 次调 整 模 型 结 构 可 以 调 控 摩 擦 因 数,从 而 减 小 轧 制过 程 中 的 扭 转 变 形,但 实 际 不 容 易 操 作。陶 功明针 对 履 带 钢 在 轧 制 过 程 中 扭 转 变 形 过 大 的 现象,利 用 仿 真 软 件 建 立 轧 制 模 型,并 量 化 分 析 轧 件的 扭 转 变 形,通 过 调 整 切 深 孔 型 参 数,使 扭 转 角 明显 减 小。王 中 学 等对 异 型 门 架 型 钢 轧 制 过 程 的稳 定 性 进 行 模 拟,通 过 调 整 两 对 角 应 变 差 来 控 制
6、轧 件 扭 转 程 度。但 孔 型 调 整 也 会 产 生 一 系 列 轧 制调 试 等 问 题,增 加 了 生 产 成 本。目 前 对 于 控 制 型钢 扭 转 变 形 的 优 化 方 案 较 少,且 多 是 通 过 调 整 单因 素 来 减 小 轧 件 扭 转 变 形。本 文 针 对 型 钢 铰 链 在 热 轧 过 程 中 产 生 的 扭 转缺 陷,结 合 实 际 生 产 条 件,采 用有 限 元 软件 建 立 了 轧 件 轧 制 过 程 的 有 限 元 模 型,并 通 过 正交 试 验 分 析 了 轧 辊 直 径、电 机 转 速 与 孔 型 偏 转 角对 轧 件 扭 转 变 形 的 影
7、响,得 到 了 最 佳 工 艺 参 数。有 限 元 模 型 几 何 模 型型 钢 铰 链 轧 制 装 配 模 型 如 图()所 示,采 用二 辊 式 轧 制。上 下 轧 辊 辊 径 为,设 置 轧 件长 ,如 图()所 示。图几 何 模 型 示 意 图 材 料 设 置将 轧 辊 设 置 为 解 析 刚 体,采 用 壳 体 单 元 简 化处 理 以 提 高 计 算 效 率。轧 件 设 置 为 塑 性 体,材 料为钢,其 密 度 为 ,热 辐 射 系 数 取,应 力、应 变 值 参 考软 件 中钢 的标 准 应 力应 变 曲 线。其 不 同 温 度 下 的 杨 氏 模 量、泊 松 比 等 参 数
8、如 表所 示。表不 同 温 度 下钢 的 热 物 性 参 数 温 度 杨 氏 模 量 泊 松 比 热 导 率()比 热 容()膨 胀 系 数 前 处 理 设 置本 文 模 拟 铰 链 热 轧 最 后 一 个 道 次 的 轧 制 过程,对 上 下 轧 辊 分 别 设 定“速 度角 速 度”和“温度”边 界 条 件,轧 制 温 度 设 定 为,轧 辊 温 度设 为,周 围 介 质 温 度 为,热 对 流 系 数为 (),热 传 导 系 数 为(),根 据 轧 制 过 程 受 力 特 点,单 元 类 型 设为线 性 减 缩 单 元。由 于 型 钢 断 面 复 杂,外形 不 规 则,故 对 其 进 行
9、 网 格 细 化,如 图所 示,轧件 单 元 数 为 个。上海金属第卷图网 格 细 化 模 拟 结 果 分 析轧 制 模 拟 结 果 如 图所 示,可 见 轧 件 出 现 较大 的 扭 转 变 形。图模 拟 的 轧 制 过 程 测 量 轧 件 出 口 时 横 截 面 上 的 两 个 节 点 与 轧 件末 端 的 两 个 节 点 在 水 平 方 向 上 的 夹 角,其 表 示 轧件 的 扭 转 程 度,定 义 这 个 角 为 扭 转 角。取 轧 件 稳定 变 形 阶 段 的 横 截 面 的 前 后个 节 点,测 量 节 点在 投 影 面 上 的 夹 角 差。通 过 测 量 计 算个 节 点 的
10、坐 标,建 立 前 后 两条 直 线 与 投 影 面 的 相 对 夹 角,即 可 得 到 每 米 轧 件的 扭 转 角 为。本 文 结 合 实 际 生 产 条 件,通 过 对 型 钢 铰 链 的轧 制 过 程 进 行 模 拟,得 出 影 响 轧 件 扭 转 的 主 要 因素 为 轧 辊 直 径、电 机 转 速 和 孔 型 偏 转 角。正 交 试 验 与 优 化 分 析 正 交 试 验本 文 结 合 生 产 实 际 并 预 选 水 平 值,选 取、倍 的 轧 辊 名 义 辊 径,、倍 的 工 艺 设 定 电 机 转 速 和、的 孔 型偏 转 角个 因 素 进 行因 素水 平 的 正 交 试 验,
11、分 析 参 数 变 化 对 轧 件 扭 转 影 响 的 显 著 性,结 果 如表所 示。表正 交 试 验 结 果 序 号因 素轧 辊 直 径电 机 转 速()试 验 结 果孔 型 偏 转 角()扭 转 角()通 常,因 素 的 极 差()值 越 大,表 明 该 因 素 对试 验 结 果 的 影 响 越 大。从 表可 知,孔 型 偏 转 角对 扭 转 角 的 影 响 最 大,电 机 转 速 次 之,轧 辊 直 径 对扭 转 角 的 影 响 最 小。表中,、均 值 的 大 小 可 以 反 映 各 因素 不 同 水 平 对 试 验 结 果 的 影 响。图为 轧 辊 直径、电 机 转 速 和 孔 型
12、偏 转 角 对 轧 件 扭 转 角 的 影 响。从 图()可 以 看 出,轧 辊 直 径 从 增加 至,轧 件 扭 转 角 逐 渐 增 大,从 单 因 素 看,轧 辊 直 径 越 小,轧 件 扭 转 越 小;从 图()可 以 看出,电 机 转 速 在 时,扭 转 角 逐 渐 增大,在 时,扭 转 角 逐 渐 减 小,且 时 的 扭 转 角 小 于 时 的 扭 转角;从 图()可 以 看 出,随 着 孔 型 偏 转 角 的 增 大,轧 件 扭 转 角 先 增 大 后 逐 渐 减 小,在 孔 型 偏 转 角 为 时 扭 转 角 最 大。方 差 及 回 归 分 析考 虑 到 各 因 素 之 间 的
13、交 互 作 用,对 上 述 试验 因 素 建 立 回 归 关 系 模 型:()式 中:为 常 量;,分 别 为,对 应 的 回 归 系 数;,分 别为 轧 辊 直 径、电 机 转 速 和 孔 型 偏 转 角。第期程 书 鹏 等:汽 车 铰 链 热 轧 扭 转 变 形 的 有 限 元 分 析 图轧 辊 直 径()、电 机 转 速()和 孔 型 偏 转 角()对 轧 件 扭 转 角 的 影 响 (),()()对 上 述 模 型 进 行 方 差 分 析,结 果 如 表所 示。可 见 在 检 验 水 准 条 件 下,孔 型 偏 转 角 较轧 辊 直 径 和 电 机 转 速 对 轧 件 扭 转 变 形
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