CN101944143A - 双层圆挤压筒过盈量参数化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双层圆挤压筒过盈量参数化设计方法，其特征在于：利用装在公知计算机上的专用软件，通过理论公式采用叠加计算的方法对双层圆挤压筒过盈量产生的装配压力和工作压力进行计算，得到双层挤压筒内外径等效应力值，对比结果优选设计参数。然后进行仿真计算，并在假设挤压筒为弹性体，在现有分层经验公式、拉梅公式、叠加算法和等效应力计算方法的基础上，得到计算双层挤压筒各自的内外径上的等效应力的计算方法，通过理论计算得到优选参数，然后通过仿真计算得到力学性态分布，为设计合理过盈量提供直接根据。本方法具有方便、快捷、准确的优点，缩短了设计周期，提高了设计质量，经济效果显著。

Description

双层圆挤压筒过盈量参数化设计方法

技术领域

本发明是一种双层圆挤压筒内外衬尺寸参数化设计方法，尤其涉及双层圆挤压筒过盈装配和挤压时的计算和模拟，为挤压筒的内外衬厚度和过盈量选择提供参考依据。

背景技术

挤压过程是高温高压高摩擦过程，挤压工模具设计与制造是铝合金型材挤压生产的关键技术，不仅影响产品质量、生产效率和交货周期，而且也是决定生产成本的重要因素之一。

挤压筒属于挤压工具中最昂贵的大型消耗件。双层挤压筒过盈组合套装能有效减小应力峰值，提高挤压筒的耐用性。因此，过盈量的合理选择，成为挤压工具设计的重要参数，也是设计难点。过盈量过小，不足以降低合成拉应力值；过大会使衬套产生塑性变形和更换内衬套的困难。过盈值选择适当可使挤压筒寿命提高3-4倍，大大降低生产成本。

目前，双层圆挤压筒过盈量大小设计的主要方法有两种。一种是理论计算结合个人经验确定参数，再进行强度校核方法；另一种是采用有限元软件模拟分析的方法。

理论法主要是先根据传统经验公式确定各层的厚度，再通过挤压力计算出最小过盈量，通过理论进行强度校核。这种方法优点是直观，直接根据公式结合设计者的经验，设定过盈参数。缺点是与设计者的阅历和经验有关，不确定因素大，容易造成损失。

有限元法是一种先进的设计方法，是现在设计部门普遍采用的方法，计算结果精确。缺点是有限元软件的每次计算都要先建立一次模型进行分析，但其对参数的选定带有盲目性，造成设时间的浪费，使所选参数分析的结果缺乏预见性。

发明内容

本发明的提出，旨在克服现有挤压筒过盈量参数设计方法中的不确定因素、计算量大、不易掌握和耗费大量劳动力和设计时间的缺点，提出了一种参数化设计方法，将理论法和有限元法通过编程合二为一，采用经典弹性力学的计算公式进行初步计算，并将合理的计算结果作参数，利用有限元分析法验证，对比两次分析的结果，最终确定过盈量的大小。从而节省人力和时间，提高了设计参数的合理性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种双层圆挤压筒过盈量参数化设计方法，包括在公知计算机上装入《双层圆挤压筒过盈量参数化计算和模拟软件.exe》的步骤，其特征在于：设计过程包括下述步骤：

(1)打开所述软件，在弹出的《双层圆挤压筒过盈量参数化计算系统》界面上点击“进入计算”按钮，进入计算；

(2)输入计算需要的参数，包括公称压力、弹性模量、内外衬套初始尺寸，得出装配和挤压两种状态的分层半径、装配压力、各层的应力值大小；

(3)理论计算装配应力，在传统分层半径公式、拉梅公式基础上，假设挤压筒为全弹性状态、符合小变形、线弹性本构方程、满足叠加原理的条件下，根据推理公式先求得两层之间的套装压力状态，再将只有内压而无过盈的挤压筒应力状态与套装压力状态进行叠加，求得挤压筒套装后任意位置的等效应力；

(4)将在过盈加压时的内衬内侧的挤压筒应力略大于外衬内侧应力的情况判断结果为合理，确认为最佳优选参数；若计算结果判断为不合理，则返回步骤(2)；

(5)点击进入“有限元模拟”按钮，进入有限元分析结果界面，建立过Z轴的平面，在平面上进行网格划分，划分径向和轴向网格；

(6)定义弹性材料、杨氏模量，施加到所有面单元；

(7)定义接触，设定过盈分析；

(8)选中内衬侧面单元施加内压，绕轴线旋转，得到三维模型；

(9)设置计算工况，第一工况为过盈装配，第二工况为加内压；

(10)设置计算参数，提交分析，判断结果是否合理，若不合理，则返回步骤(2)；

(11)保存Mises应力图片和曲线结果；

(12)点击“结束”按钮，退出系统。

与现有技术相比较，本发明的优点在于：

将理论计算和有限元方法的计算过程进行编程，使用者只要打开编好的软件输入数值，就可以找到最佳的设计参数，使用起来方便、快捷、准确。缩短设计周期，提高了设备的设计水平，为设计合理耐用的挤压筒提供直接依据。

附图说明

本发明有附图4幅，其中：

图1是本发明软件使用流程图。

图2是本发明软件界面。

图3是本发明软件理论计算界面。

图4是本发明软件有限元计算结果界面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图所示。一种双层圆挤压筒过盈量参数化设计方法，包括在公知计算机上装入《双层圆挤压筒过盈量参数化计算和模拟软件.exe》的步骤，其特征在于：设计过程包括下述步骤：首先输入理论计算需要的数值，如公称压力、弹性模量、内外衬套初始尺寸，就能得出装配和挤压两种状态的分层半径、装配压力、各层的应力值大小。通过调整各层厚度和过盈量，优选出最符合要求的数值。在传统分层半径公式、拉梅公式基础上，假设挤压筒为全弹性状态，符合小变形，线弹性本构方程，满足叠加原理的条件下，先根据推理公式求得两层之间的套装压力状态，再将只有内压无过盈的挤压筒应力状态与套装压力状态进行叠加，求得挤压筒套装后任意位置的等效应力。这些推理公式包括：

分层半径公式为

$\frac{{\mathrm{\δ}}_1}{{\mathrm{\δ}}_2}=\frac{b+{\mathrm{\δ}}_2-a}{c-b+{\mathrm{\δ}}_1}---(1-1)$

式中：δ₁为内衬仅受装配外压过盈量/mm

δ₂为外衬仅受装配内压过盈量/mm

常温时的套装压力公式

$p=\frac{\mathrm{E\δ}}{b}\frac{(b^2-a^2)(c^2-b^2)}{{2b}^2(c^2-a^2)}---(1-2)$

式中E为杨式模量

设挤压筒为全弹性状态，符合小变形，线弹性本构方程并满足叠加原理条件下，采用叠加算法求得套装后任意位置应力值的公式为

σ_r＝σ_r′+σ_r″    (1-3)

σ_θ＝σ_θ′+σ_θ″ (1-4)

式中σ_r套装加压后径向应力/N

σ_θ套装加压后周向应力/N

σ_r′套装径向应力/N

σ_θ′套装周向应力/N

σ_r″无套装加压径向应力/N

σ_θ″无套装加压周向应力/N

对于塑料材料，采用Mises等效应力计算挤压筒的内衬任意位置等效应力公式为

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{mises}\_\mathrm{nei}}=\sqrt{\frac{{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rnei}}}^2+{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θnei}}}^2+{({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rnei}}-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θnei}})}^2}{2}}---(1-5)$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{mises}\_\mathrm{wai}}=\sqrt{\frac{{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rnei}}}^2+{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θnei}}}^2+{({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rnei}}-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θnei}})}^2}{2}}---(1-6)$

合理的结果值，应是在过盈加压时，内衬内侧的挤压筒应力略大于外衬内侧应力的情况，以此优选最佳参数。

然后进入有限元分析，并与其软件求解器接合，调整好网格划分的尺寸，就可以直接运行有限元求解器自动计算。提供Mises等效应力的分布和曲线图与理论计算结果对比。如果两者相差不大，满足设计要求，就可确定为最终设计参数。编程过程如下：

1、过原点，以Z轴为轴线，建立过Z轴的平面。

2、在平面上进行网格划分，划分径向和轴向网格。

3、定义弹性材料，杨氏模量，施加到所有面单元。

4、定义接触，设定过盈分析。

5、选中内衬侧面单元施加内压，绕轴线旋转，得到三维模型。

6、设置计算工况，第一工况为过盈装配，第二工况为加内压。

7、设置计算参数，提交分析。

8、后处理中，保存Mises应力图片和曲线结果。

9、结束分析。

以上与求解器的结合过程全部采用程序编写，无需逐步操作，自动完成。完成后可以用本发明查看挤压筒内外衬力学性态，对比理论分析结果，为设计参数的最终确定提供依据。

实施例1

首先打开本软件(双层圆挤压筒过盈量参数化计算和模拟软件.exe)，就会出现图2所示的界面，点击“进入计算”按钮，进入到图3所示的理论计算界面。

输入要计算的挤压机公称压力5500吨，杨氏模量根据不同情况给出，本例中杨氏模量为170000，然后输入内套内半径200mm、内套外半径300.66mm、外套内半径300mm、外套外半径600mm的数值。这几个数值是可改变的，从而得到不同计算结果。

点击右边的“过盈装配”，软件自动计算出装配时的过盈量0.66mm、内套内压437MPa、分层半径300mm、装配压力87MPa、内套内层等效应力315MPa、内套外层等效应力198MPa、外套内层等效应力204MPa、外套外层等效应力58MPa。点击右边的工作内压，软件会自动计算出工作时的内套内层等效应力/MPa、内套外层等效应力/MPa、外套内层等效应力/Mpa、外套外层等效应力/Mpa。一般情况下，以工作状态时内套内层等效应力略高于外套内层等效应力为宜。设定为内套内半径＝200mm，内套外半径＝300.66mm，外套内半径＝300mm，外套外半径＝600mm。中间为图形演示区域。然后点击进入“有限元计算”进入图4所示的界面。

设定网格划分数目，分横向和纵向数目，可以演示设定后网格的疏密程度。网格密，计算量耗时，结果精度高。网格稀疏，计算速度快，结果精度低。此例中轴向单元数为20，径向单元数为10。

设定好网格，点击“运行”。自动调用求解器，得到分析结果。

点击装配应力、装配曲线、工作应力、工作曲线可以看到不同分析结果。图4为装配应力分布图，最大值为587MPa。对比理论计算的结果，可知内套内半径应力588MPa，略大于外套内半径应力587MPa，对于同种材料，这个值是合适的。可以确定采用设定的参数。

点击“生成报告”，保存计算的结果。点击“结束计算”退出系统。

Claims (1)

1.一种双层圆挤压筒过盈量参数化设计方法，包括在公知计算机上装入《双层圆挤压筒过盈量参数化计算和模拟软件.exe》的步骤，其特征在于：设计过程包括下述步骤：

(1)打开所述软件，在弹出的《双层圆挤压筒过盈量参数化计算系统》界面上点击“进入计算”按钮，进入计算；

(2)输入计算需要的参数，包括公称压力、弹性模量、内外衬套初始尺寸，得出装配和挤压两种状态的分层半径、装配压力、各层的应力值大小；

(3)理论计算装配应力，在传统分层半径公式、拉梅公式基础上，假设挤压筒为全弹性状态、符合小变形、线弹性本构方程满足叠加原理的条件下，根据推理公式先求得两层之间的套装压力状态，再将只有内压而无过盈的挤压筒应力状态与套装压力状态进行叠加，求得挤压筒套装后任意位置的等效应力；

(4)将在过盈加压时的内衬内侧的挤压筒应力略大于外衬内侧应力的情况判断结果为合理，确认为最佳优选参数；若计算结果判断为不合理，则返回步骤(2)；

(5)点击进入“有限元模拟”按钮，进入有限元分析结果界面，建立过Z轴的平面，在平面上进行网格划分，划分径向和轴向网格；

(6)定义弹性材料、杨氏模量，施加到所有面单元；

(7)定义接触，设定过盈分析；

(8)选中内衬侧面单元施加内压，绕轴线旋转，得到三维模型；

(9)设置计算工况，第一工况为过盈装配，第二工况为加内压；

(10)设置计算参数，提交分析，判断结果是否合理，若不合理，则返回步骤(2)；

(11)保存Mises应力图片和曲线结果；

(12)点击“结束”按钮，退出系统。

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