文档介绍：基于曲率积分法的板材矫直理论研究重庆大学博士学位论文学生姓名:刘志芳指导教师:王勇勤教授专业:机械设计及理论学科门类:工学重庆大学机械工程学院二O一四年六月 Studyof LevelingTheoryBased on Curvature IntegrationMethod for Plates A Thesis Submitted to ChongqingUniversity in Partial Fulfillment of the Requirement for the Doctor’sDegree ofMechanicalEngineering By Liu Zhifang Supervised by Prof. Wang Yongqin Specialty:Mechanical Design and Theory College of Mechanical Engineeringof Chongqing University, Chongqing, China June,2014 中文摘要 I 摘要板材广泛应用于车辆、船舶、桥梁、航空航天等众多国民经济领域。随着市场经济的深化和科学技术的进步,用户对板材质量要求越来越高。尽管采用先进的轧制设备及工艺可以一定程度上提高板材质量,但是在轧制生产过程中,由于板厚不均、温度变化和冷却不均等原因可能会使板材产生弯曲、中波和边波等板形缺陷;另外,即使是平直的板材,如果残余应力过大,在机械加工、热处理、运输、使用等过程中,由于残余应力释放,还可能出现失稳而产生新的板形缺陷, 严重时会产生微观裂纹甚至开裂。因此,板材还需要通过后续的矫直工序改善其平直度和控制残余应力,最终满足各行业的高质量工程标准要求。板材矫直过程的实质,就是通过矫直机上、下两排交错排列的矫直辊实现连续反复弹塑性弯曲变形,从而达到矫直和减少板形缺陷的目的。板材矫直质量很大程度上取决于矫直机的先进性和矫直工艺的合理性,这两者都依赖于先进的矫直理论。目前国内矫直理论落后于实践的现象比较明显,例如,虽然个别厂家推出了高刚度、全液压和全自动的新一代强力矫直机,但设计机理并不十分清晰, 基本上还处于类比设计阶段,而工艺模块仍然要依赖于国外大公司。因此,开展板材矫直理论分析及相关工艺优化的系统深入研究,对于提高我国矫直机设计水平和矫直工艺应用水平、增强国内企业在该领域的核心竞争力具有重要的理论意义和广阔的应用前景。本文基于曲率积分法建立了反映压下量与反弯曲率和横向残余应力关系的解析模型,采用高效的算法进行了数值求解和试验验证;探讨了板材矫直过程中的曲率、应力、塑性变形率、矫直轨迹、矫直力和扭矩等主要矫直参数的变化规律; 结合倾斜压下矫直方案并基于曲率积分法针对典型来料规格研究了辊系结构参数的确定方法;分析了影响矫直质量的主要因素,总结了这些因素与合理压下量的关系,创建了第三代强力液压矫直机弯辊辊形曲线数据库;基于曲率积分法准确绘制了与现场数据吻合的矫直能力边界曲线;以辊系压下量为设计变量,以总矫直力或者出口平直度最小为目标建立了多约束的非线性隐式压下工艺优化模型, 并进行数值优化求解,优化结果和现场数据具有较好的一致性。本文取得的主要创新研究成果如下: ①推导了板材与相邻两辊之间接触角、压下量与曲率分布关系的曲率积分模型,首次采用优化方法对该模型推导的非线性方程组直接进行了数值求解,克服了以曲率积分模型为目标的迭代算法收敛性差和精度不够的缺点,实现了求解方法的创新。以该模型为基础,对横向残余应力进行了解析,探讨了压下量对板材重庆大学博士学位论文 II 矫后残余应力的影响规律。②考虑倾斜压下矫直方案并基于曲率积分法准确计算了单辊最大矫直力和扭矩,根据强度理论确定了辊距下限,考虑矫直辊有限的压下行程确定了辊距上限,在保证矫直质量的条件下确定了最少辊数,从计算的所有品种的最小辊距中挑选出最大值作为最优辊距,改变了传统方法按照塑性极限状态确定单辊最大矫直力、矫直扭矩,进而确定辊距的思路,实现了结构参数确定方法的创新。③从期望塑性变形率和设备最大力能参数限制角度建立了快速确定矫直能力边界的模型,绘制了粗略的矫直能力曲线,分析了其构成原理,以此为基础, 结合倾斜压下方案并基于曲率积分法对每个厚度进行屈服极限极大化的准确搜索,获得了更接近实际的矫直能力边界曲线,为快速判定来料是否可矫、一定厚度板材可矫的最大屈服极限或一定屈服极限板材可矫的最大厚度提供了理论依据。④探讨了来料板材厚度、材料屈服极限、弹性模量、压下量和弯辊凸度对矫直质量的影响,研究了在满足矫直质量条件下,这些因素与合理压下量的关系, 所总结的理想弹塑性材料板材的弹性极限曲率与合理压下量之间的规律与创建的弯辊辊形曲线数据库可以为后续矫直工艺制定和在线合理设定弯辊力提供依据。⑤以