矩形钢管拉拔成形三维弹塑性有限元模拟及优化研究

【摘要】：矩形钢管是钢结构的最佳立柱材料之一,在建筑、化工、电站等各行各业都有广泛的应用。但是受理论基础和研究方法的限制,目前矩形钢管拉拔工艺仍然采用以经验为主的试验法制定,产品质量难以保证。有限元模拟技术可以获得金属变形更微观全面的认识,已经日益成为塑性成形研究中的有力工具。 本文以130×50×3.5mm矩形管为例,对矩形管拉拔成形过程进行研究。首先,通过分析矩形管成形过程的变形特征,以及成形方法和工艺参数对成形的影响,确定采用辊模拉拔与短芯棒拉拔相结合的两道次拉拔工艺方案。在此基础上,建立有限元模型并对矩形管拉拔成形过程进行三维有限元模拟,得到应力应变的分布状况和金属的流动规律。 针对矩形管拉拔成形中出现的不足,本文从两个方面对矩形管拉拔成形过程进行优化。一方面,引入流函数法建立拉拔模的模腔曲面方程,对传统的锥形模模腔进行优化,设计出“流线型”拉拔模。通过对“流线型”拉拔进行有限元模拟,并和传统的“直线型”拉拔对比后发现,“流线型”拉拔改善了金属的流动状态,在拉拔稳定性、能量消耗及模具磨损上均优于“直线型”拉拔。另一方面,采用正交试验和数值模拟相结合的方法对拉拔成形的工艺参数进行优化,分析了摩擦系数、拉拔速度、入口锥角、定径带长度、水平辊孔型半径和水平辊间距对矩形管拉拔成形的影响。采用极差分析的手段,判断指标(总应变能、周向残余应力)对各工艺参数的敏感程度,得到最佳的工艺参数组合方案。 本文的研究结论对矩形钢管生产有实际指导意义。