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板料激光曲线弯曲成形的有限元模拟

作　者: 张鹏
导　师: 季忠
学　校: 山东大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 板料激光弯曲成形有限元模拟曲线
分类号: TG386
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

板料激光弯曲成形是一种利用高能激光束扫描金属薄板表面,在热作用区产生强烈的温度梯度,导致非均匀分布的热应力,使金属板料发生塑性变形的工艺方法。与传统的成形方法相比,该工艺具有不需外力和模具、生产柔性大、加工成本低、成形精度高并能进行硬脆材料变形等优点,因此受到了国内外众多学者及工程界的广泛关注。本文采用有限元分析软件ANSYS对板料激光弯曲成形过程进行了数值模拟,分析了成形过程的温度场及变形特点,并对成形工艺进行了优化设计。主要内容体现在:(1)对矩形金属板激光直线弯曲成形过程进行有限元模拟,并比较了高斯分布和均匀分布热源的模拟结果,发现均匀热源的温度梯度比高斯热源下的温度梯度要大,最终产生的变形量也相对较大;(2)利用ANSYS二次开发语言(APDL)描述了基于扫描路径的激光束运动模型,编制了基于该扫描路径的初始网格划分及自适应网格重划分程序,利于提高计算精度及效率;(3)采用所编制的模块程序,实现了沿特定曲线扫描弯曲成形过程的有限元模拟。与直线扫描对比发现:板料上表面的材料发生了较大的横向收缩变形,而下表面的横向收缩较小,变形量均比直线扫描情况下大。(4)通过数值模拟,系统研究了各技术参数对板料激光曲线弯曲变形的影响。结果发现:增加激光束功率,弯曲变形量显著增大;在定功率情况下,增加扫描速度,弯曲变形量呈减小趋势;在激光功率和扫描速度不变的情况下,增大激光光斑直径,板料的弯曲变形量随之减小,但当光斑直径增大到一定值的时候,光斑大小对弯曲变形量影响不大;弯曲变形量随面能量密度(P/(DV))的增加而增大;板料宽度越大,相同工艺参数下所能获得的弯曲变形量也越大;板料越厚,所获得的弯曲变形越小。(5)利用VB对ANSYS进行封装,开发了金属板激光弯曲成形有限元分析系统,并可方便地对工艺参数及加工路径进行优化设计。

全文目录

摘要  6-7
ABSTRACT  7-9
第1章绪论  9-22
  1．1 引言  9-10
  1．2 板料激光弯曲成形技术  10-12
  1．3 激光弯曲成形机理研究与计算模型  12-16
  1．4 板料激光弯曲成形数值模拟的研究概况  16-20
    1．4．1 板料激光弯曲成形温度场、形变场的数值模拟  16-17
    1．4．2 板料激光弯曲成形的优化设计  17-18
    1．4．3 数值模拟中的自适应网格技术  18-20
  1．5 本课题主要研究内容及意义  20-22
第2章板料激光弯曲成形过程的数值模拟  22-37
  2．1 塑性成形问题数值分析的一般方法  22-23
  2．2 热力耦合的有限元理论  23-24
  2．3 有限元求解方法  24-25
  2．4 有限元分析软件 ANSYS介绍  25-26
  2．5 板料激光弯曲成形模拟中关键问题的处理  26-33
    2．5．1 模型处理  26-27
    2．5．2 单元选取与处理  27
    2．5．3 材料性能参数的确定  27-28
    2．5．4 板料热吸收系数的确定  28-29
    2．5．5 热传导初始条件与边值条件的处理  29-30
    2．5．6 时间步长的控制  30-31
    2．5．7 动态激光热源的处理  31-33
  2．6 模拟算例及结果分析  33-35
  2．7 本章小结  35-37
第3章基于 ANSYS二次开发的动热源模型及模拟算例  37-53
  3．1 引言  37-38
  3．2 扫描路径拟合  38-40
    3．2．1 B样条曲线的基本概念  38-39
    3．2．2 B样条曲线在 ANSYS中的实现  39-40
  3．3 基于扫描路径的网格划分  40-44
    3．3．1 有限元网格概述  40-41
    3．3．2 网格划分模块程序设计  41-44
  3．4 基于扫描路径的移动热源  44
  3．5 模拟结果及分析  44-52
    3．5．1 板料激光曲线弯曲时的温度场分析  45-46
    3．5．2 板料激光曲线弯曲时的位移场分析  46-48
    3．5．3 板料激光曲线弯曲时的应变场分析  48-49
    3．5．4 板料激光曲线弯曲时的应力场分析  49-52
  3．6 本章小结  52-53
第4章技术参数对板料激光曲线弯曲成形的影响  53-61
  4．1 引言  53
  4．2 激光工艺参数对板料激光曲线弯曲变形的影响  53-56
  4．3 板料几何参数对激光曲线弯曲变形的影响  56-58
  4．4 距自由端距离对板料激光曲线弯曲变形的影响  58-59
  4．5 材料性能参数对板料激光曲线弯曲变形的影响  59-60
  4．6 本章小结  60-61
第5章基于 ANSYS的二次开发在 VB中的实现  61-71
  5．1 引言  61
  5．2 系统设计目标  61-62
  5．3 开发工具介绍  62-63
  5．4 系统设计的主要模块  63-70
    5．4．1 VB视图交互模块  63-64
    5．4．2 优化模块  64-68
    5．4．3 VB调用模块  68-70
  5．5 本章小结  70-71
第6章结论与展望  71-74
  6．1 结论  71-72
  6．2 展望  72-74
参考文献  74-78
附录  78-82
致谢  82-83
攻读硕士学位期间发表的论文  83-84
学位论文评阅及答辩情况表  84

板料激光曲线弯曲成形的有限元模拟

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