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2015 届本科生毕业论文 筒体自动组对、焊接工作站设计 （结构件力学计算、建模仿真） Pressure vessel tube auto group and welding workstation design (mechanical calculation, modeling and simulation) 学生姓名学号 所在学院工程学院班级机制 1113 所在专业机械设计制造及其自动化 申请学位 指导教师职称教授 副指导教师职称 答辩时间2015 年 06 月 04 日 目 录 目目 录录 摘 要 .I ABSTRACT .II 1绪论.1 1.1项目来源、背景及目的.1 1.1.1项目来源.1 1.1.2项目背景.1 1.1.3项目目的和意义.4 1.2研究的内容与拟解决问题.5 1.2.1研究的基本内容：.5 1.2.2拟解决的主要问题：.5 1.2.3研究方法与技术路线：.6 2有限元基础理论与 ANSYS 应用.7 2.1有限元法及 ANSYS 介绍.7 2.1.1发展与现状.8 2.2有限元分析的基本思路.8 3圆筒及压块的模型的建立.9 3.1内涨过程中错边量与直径，壁厚，压力之间的关系。.9 3.1.1问题描述.9 3.1.2有限元解.10 3.2外压过程中错边量与直径，壁厚，压力之间的关系。.14 3.2.1问题描述.14 3.2.2有限元解.15 3.3内涨心处理鸡胸问题的能力.19 3.3.1问题描述.19 3.3.2针对情况一进行的有限元分析.22 3.3.3针对情况二进行的有限元分析.25 4总结.33 鸣 谢.34 参考文献.35 摘 要 I 摘 要 合众公司压力容器制造筒体组对工艺从 70 年代沿用至今，所用的工艺比较落后， 同时容易对容器筒体造成机械损伤，造成其表面的应力集中而影响设备的安全性、可 靠性以及其使用寿命。故急需研制压力容器筒体自动组对焊接工作站，实现压力容器 制作筒体组对焊接自动化，提高生产效率，改善工作环境。 本文使用有限元对圆筒直径，厚度错边量及所需的集中力进行了理论分析，从分 析数据中得到最佳的压力值，并选择合适的液压缸作为后续设计的基本参数；并针对 实际生产中常出现的鸡胸问题经行深入分析，确定自动组对焊接工作站在实际生产中 的工作能力。 关键词：压力容器；焊接；ANSYS；非线性。 ABSTRACT II ABSTRACT The pressure vessel manufacturing group cylinder body of technology that UCO company used from the 1970s is relatively backward, also easy to the container cylinder body caused by mechanical damage, caused by the surface stress centralization and influence the equipment safety, reliability and the service life of the. So it is urgent to develop a pressure vessel cylinder automatic group of welding workstation, the realization of pressure vessel manufacture group cylinder body of the welding automation, improve production efficiency, improve the working environment. This paper uses finite element of the cylinder diameter, the thickness of the wrong and the concentrated force has carried on the theoretical analysis, from the analysis of the data obtained in the optimal pressure value, and select the appropriate hydraulic cylinder as the basic parameters of the design of the follow-up; and for the chicken breast problems often occur in the practical production by in-depth analysis, automatically determined group of welding workstation in actual production ability to work. KEYWORDS: Pressure vessel; welding; ANSYS; nonlinear. 广东海洋大学 2015 届本科生毕业论文 1 筒体自动组对、焊接工作站设计 （结构件力学计算、建模仿真） 机械设计制造及其自动化，201111411306，郭俊游 指导教师：张世亮 1绪论 1.1项目来源、背景及目的 1.1.1 项目来源 随着社会的进步，我国的工业水平真处于高速发展的状态，人们对石油，天然气 的需求也在飞速的上升。今后 1015 年,全球总能源消耗将比现在增加 60%左右,其中天 然气消耗将翻一番1,2。而油气的需求者主要在工业较发达的工业城市地区,油气田则 大部分分布在极地、荒漠、海洋等偏远地带3。海洋的石油一般都藏在海洋的深处， 这就意味着需要有一种经济、安全并且不间断的长距离输送工具来输送石油，而这种 工具就是石油运输管道。这也使得油气输送管道在近 40 年得到了巨大的发展,这种发 展势头在未来的几十年中仍将持续下去4。 压力容器，是指能承载一定压力或者盛放易燃易爆品的设备要求能承载一定的压 力。 合众公司深海采油的工具主要是压力容器，但由于国内钢管厂家技术水平与设备 比较落后，许多厂家只能卷制比较短的钢管，或者所选用的钢板一般比较短。以合众 公司为例，公司能加工长度不超过 2.5 米的压力容器，但用于深海采油的压力容器一 般长度较长，故在制造压力容器时，往往是通过多节焊接的方式来实现。许多资料显 示，影响压力容器质量的不仅是不仅钢的化学成分、力学性能、冶金质量等的好坏影 响着钢管的使用寿命,而且钢管的尺寸精度对钢管的使用寿命也有着重要的影响5。 1.1.2 项目背景 合众公司及其下属钢管生产厂家锁使用的技术比较落后，所能卷制的钢管长度一 般只有 2.5 米，故在生产较长的钢管时，需要生产多节 2.5 米钢管，再将这些钢管组 对起来经行焊接，再输出生产车间。整个组对工作在车间里均由工人手工操作，误差 检测也是由工人拉钢丝线加上钢尺配合测量或者直接目测，因此整体效率低下，产品 质量也较差，生产的工艺没法得到很好的保障。 合众公司压力容器制作的工序有以下几步骤：钢板下料-检验-钢板切割-钢板 广东海洋大学 2015 届本科生毕业论文 2 卷制成单节筒体-单节筒体焊接-单节筒体校园（必要时）-单节筒体埋弧焊-筒体 与筒体之间组对-筒体之间环缝焊接-封头与筒体之间组对-封头与筒体之间环缝焊 接-整体组对。由于各个筒体卷制之后会存在一定的尺寸偏差，所以筒体与筒体之间 组对之前需要克服错变量与筒体变形。由于技术的落后，合众公司依旧采用的传统的 筒体组对方法-强制变形的方法即在有错边的位置焊接辅助工具，用楔子强迫组对 区域平整后点焊的方法。图 1-1图 1-6. 图 1-1 筒体组对时候焊接的辅助工具 图 1-2 筒体与封头组对的辅助工具 广东海洋大学 2015 届本科生毕业论文 3 图 1-3 筒体与筒体组对焊接的辅助工具 图 1-4 筒体与封头之间的组对 图 1-5 最后一道缝的组对，以下面的两根小管为基准线 广东海洋大学 2015 届本科生毕业论文 4 图 1-6 自己制作的简易埋弧焊支架焊接封头 合众公司这种在组对的两节筒体上点焊卡具，用楔子敲击来调整两节筒节的同心 度的方法不仅会对筒体的表面留下机械损伤，还难以保证各个筒节的精确对中，因此 产生的间隙、错边将对后续焊接工作带来一定影响。产生难以消除的错边量导致验收 不合格，并且效率低下，且无法保持很好的椭圆度。从保证设备使用的安全角度出发， 确保筒体的椭圆度至关重要.因为设备运行时，筒体的椭圆度在内压作用下会引起周向 的弯曲附加引力，对设备的安全使用造成危害，应予以严格控制6-7。 1.1.3 项目目的和意义 鉴于目前钢管生产车间存在的这些问题，为了实现高效且准确的筒体自动组队与焊 接，急需改变传统的旧工艺，应用更加先进的技术来克服加工之中的各种问题实现实 际生产中钢管就位、对中、自动校圆的自动半自动化，以代替传统的手工操作组队工 艺，提高生产效率，降低对工人数量的依赖性显得十分有必要。 新工艺通过重新设计新的焊接工作站，实现压力容器的自动对中，矫正以及自动焊 接。如下图所示，当筒体吊装到平板小车之后，通过小车的左右移动基本找正筒体的 轴线，对接筒体。如果筒体轴线找正之后边缘存在部分不平整，则通过内涨芯的内顶 以及外立柱的外压对筒体的圆度进行矫正，待筒体的外形矫正之后，将由工人对筒体 的外部经行点焊。点焊完成之后，平板车上的滚轮架的滚轮会自动转动，带动筒体一 起转动，同时筒体上面的焊枪开启，进入自动焊接阶段。 广东海洋大学 2015 届本科生毕业论文 5 图 1-7 工作站总体图 1.2研究的内容与拟解决问题 1.2.1 研究的基本内容： 合众公司生产的压力容器的长度为最大为 2.5 米，直径 14 米，壁厚为 2050 毫 米。整个生产的筒体规格跨度很大，有由于生产期间工人师傅对压力没有一个深刻的 认识，故没法知道设计之初外压及内涨所需要的压力是多少。外压与内涨的压力大小 对后期液压缸的选取以及设计有非常重要的意义，对于这种获取该数据的方法一般有： 1.进行实验，得出满意的结果。无疑这种方法能得到最准确的结果，但由于实际的生 产中的压力容器规格繁多，并且实验具有破坏性且周期太长，故该种方法不适用。2. 用理论方法进行分析，由于该研究涉及到的是塑形变形的内容，有关塑形变形的计算 在大学没有涉及，且难度较大，故该种办法也不适用。3.有有限元软件进行分析，有 限元软件，特别是 ANSYS WORKBENCH 学习难度较小，比较容易把握，对基础要求不高， 且能快速准确的的出计算的结果，在国内外均有较多人在工程问题使用，是处理该问 题的最佳选择。 由于生产工艺低下，在实际生产中筒体的边缘常有不规律的部分突起，这种突起常 出现在纵向焊接的焊缝处，生产之中称之为鸡胸问题。这种现象严重的影响着筒体的 圆度与筒体焊接时的错边量，可能导致验收不合格。内涨心对鸡胸问题的矫正能力及 内涨芯在矫正的过程之中强度是否能达到要求，也是问题分析的重点与难点。 1.2.2 拟解决的主要问题： 自动组对焊接工作站能否顺利的完成组队任务，其关键在于组对的过程之中能否有 广东海洋大学 2015 届本科生毕业论文 6 效的控制筒体的错边量。由于合众公司圆筒的尺寸规格比较多，应对不同的尺寸规格 的圆筒所需要的力不同。使筒体变形所需的力是多大，对于设计之初液压缸的选定有 着及其重要的意义。如果液压缸的压力选择太大，则整个机构结构会太大，且费用也 大大的提高；如果液压缸的压力太小，则组对的效果会不明显，且无法完成任务。故 需分析出最合理的理论值作为后续的设计参数，这样既能避免浪费，又能保证达到工 作要求。 在 ANSYS 软件中对筒体的受力进行分析，主要要克服以下问题： 1.圆筒的材料是 Q345，形状为圆筒，不能简单的用材料力学的模型来进行分析， 且本次分析希望圆筒达到塑性变形，而非弹性变形。当塑性变形是，胡克定律会失效。 在学习的课程之中，没有接触材料非线性的理论知识。 2.圆筒与压块间的接触是粗糙接触，属于典型的非线性接触，需要用到很多非线性 接触的理论知识，例如罚函数，拉格朗日乘子等。国内关于 ANSYS 非线性接触的文献 较少，大大的增加了设计的难度。 当内涨心处理鸡胸问题是，下边的压块可能会接触圆筒的下表面，造成不必要的塑 性变形且压块中间的推杆会被挤压，产生一定的变形（低头问题） 。假如中间的推块不 发生“低头”则所有的反作用力将有圆筒的后面三个支撑爪承受，可能会压坏圆筒， 故需对这两种情况进行分析，保证实际生产中内涨心的正常使用。 1.2.3 研究方法与技术路线： 本课题采用 ANSYS WORKBENCH 作为主要的分析软件。 为了更加准确的计算出需要的结果，我采用有限元分析的一般方法还有思路: 1. 简化并建立有限元模型 由于原始模型过于复杂，如果直接用于有限元分析的话，会浪费大量的时间，甚至有 可能解不出，但是如果模型过分的简化又可能会导致结果的不准确，所以在简化模型 的时候需要保留主要的一些尺寸与结构，简化不需要的（比如倒角或者其他加强部分） . 2. 定义材料的类型，属性及应力-应变曲线。 由于合众公司选用的筒体的材料为 Q345，在 ANSYS WORKBENCH 的材料库之中没有材料 Q345，所以只能通过网上资料获取 Q345 的材料属性及其应力-应变曲线。从而作为分 析的依据。 3划分网格 网格的质量与数量直接影响到分析结果的准确性与可靠性，作为 ANSYS WORKBENCH 的 初学者，正确的把握这种网格划分方式，并且正确的选择哪种网格划分方式不仅能大 大的减少计算时间，还能增加运算的准确性。 广东海洋大学 2015 届本科生毕业论文 7 4.添加接触关系 由于本次研究不是单个物体，而是多个物体的组合，所以需要正确的确定各个零件间 的接触关系。 5.定义边界条件，加载载荷 由于 ANSYS WORBENCH 中各种边界条件与加载方式的算法有所区别，不同的边界条件与 加载方式会出现不同的结果，所以正确的理解各种边界条件的区别与运用，能获得准 确的结果。 6.得出结果，分析数据的合理性 结果运算出来之后，需要对分析出来的动画结果进行分析，如果与生活常识不相符， 则分析过程中可能存在某些错误，需要从新进行分析。由于本次研究设计塑形变形内 容，不属于大学期间接触的课程，所以对于结果的准确性只能通过与合众公司的经验 数值进行比较，分析数据的准确性。 2有限元基础理论与 ANSYS 应用 2.1有限元法及 ANSYS 介绍 有限元法是一种离散化的数值解法,是用于求解各类实际工程问题的方法。应力分 析中稳态的、瞬态的、线性的、非线性的问题及热力学、流体力学、电磁学以及高速 冲击动力学问题都可以通过有限元法得到解决8 。 有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用的是数学近似的方法对真实 的物理系统（几何和载荷情况）进行模拟。还引入简单而又相互作用的元素的概念， 即单元，来将有限数量的未知量逼近无限未知量的真值。有限元方法与其他求值方法 的区别在于它的近似性仅仅用于相小的子区域中。20 世纪 60 年代初首次提出结构力学 计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz 法+分片函数” ，即有限元法是 Rayleigh Ritz 法的一种局部化情况。不同于求解 （往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的 Rayleigh Ritz 法，有限元 法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上 （分片函数） ，且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法 的原因之一。 ANSYS 软件则是美国的 ANSYS 公司研制的大型的一款有限元分析（FEA）软件，是 世界增长最快的 CAE 软件，能与许多的 CAD 软件接口，实现数据的共享与交换。是一 个多用途的有限元法计算机设计程序，目前，有限元法从它最初应用的固体力学领域， 已经推广到温度场、流体场、电磁场、声场等其他连续介质领域。在固体力学领域， 广东海洋大学 2015 届本科生毕业论文 8 有限元法不仅可以用于线性静力分析9。并且 ANSYS 功能强大，操作简单，现在已经 成为国际上最流行的有限元分析软件之一。也在中国大范围的使用。 大多数学者认为，随着现代机械设计理论的日益发展与提高，将有限元与机械设 计结合分析已经成为必然趋势，用有限元分析不仅能节省设计所消耗的工时，设计周 期，还能在进行试验的过程中选择分析最佳的方案，优化零件形状，有限元在产品设 计中的优越性，必然能成为企业在市场竞争中的有力工具，并且受到越来越多的工程 技术人员的重视。 2.1.1 发展与现状 现在生活节奏的加快，科学技术日新月异的进步，竞争要求企业更快地将产品推 向市场。CAE 技术将被集成到整个产品设计过程中，特别是在设计阶段，是提高产品性 能的有效手段，加快产品开发过程。有限元技术，经过几十年的发展，在数值算法， 求解器，单元技术，材料方面有很大的发展，随着硬件的快速发展，仿真计算效率更 高，大规模的问题更加得心应手。今天的有限元模型，30 -50 万节点规模问题已经司 空见惯，数以百万计的规模并不奇怪。这意味着 CAE 分析的结果可以更真实。 ANSYS 有限元领域的大型通用程序，以先进的技术和概念的多物理场耦合分析，在 工业领域和研究方向有广泛和深入的应用。ANSYS 的结构功能流体， ，热及电磁耦合分 析。ANSYS 后的 30 年的发展，典型的 ANSYS 接口已不能满足多种层次的用户的大量需 求。因此，ANSYS 建立了一种新的 CAE 仿真平台 ANSYS Workbench 生成。普通版 11，ANSYS，公司已开发出 12 版，我相信会很快推出。包括参数化建模工具 designmodeler ANSYSWorkbench 分析与设计，环境设计模拟 CAE 分析，优化变分技术 DesignXplorer VT 等。ANSYS Workbench 作为新一代的模拟仿真环境，Windows 风格的 和易于使用的界面优化，直接参数驱动的 CAD 接口，所有常用的 CAD 格式直接读取， 其易用性，灵活性和强大的功能达到高度分析软件。 现在 ANSYS 程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分 析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析10,11。 2.2有限元分析的基本思路 （1）前处理，其任务包括： a 一个几何模型结构的建立分析。复杂的几何结构，相关格式可以直接从其他 CAD 软件读取。 b 根据对象和目的，确定了有限元网格划分方案和装配方案（连接和位置） ，建立 有限元分析的计算模型。 （2）计算 是形成总刚度方程和约束求解联立线性方程的大系统，最后得到节点 位移。 （3）后处理 是计算机的输出结果（包括各种力，位移或振幅）经行必要的处理， 广东海洋大学 2015 届本科生毕业论文 9 并以一定的方式（如应力线，变形，振动图）显示并打印出对象的分析性能或设计的 合理性分析的评估，从而做出相应的改进和优化。 3圆筒及压块的模型的建立 3.1内涨过程中错边量与直径，壁厚，压力之间的关系。 3.1.1 问题描述 内涨心的结构如下图所示： 图 3-1 内涨芯结构 内涨芯是通过内涨芯尾端的液压缸推动中间的推杆，推杆推动顶块分两级动作： 后面的顶块支撑整个内涨芯；之后前面的顶块动作，将内凹的部分强制校圆。为了保 证校圆工作能顺利完成，液压缸需要提供足够大的推力，因此我们首先需要分析各系 列筒体在最坏状态下能够完成组对时，所需的推力是多少。液压缸推力大小主要通过 有限元分析来模拟，采用直接加载的方法来求的液压缸的推力大小。即直接向筒体施 加一个集中力，得出筒体的变形量。 由图 3-1 可以看出，内涨心是整个设计中零件最多，结构最复杂的部件之一，如 果对内涨心直接建立模型进行分析，会耗费大量的时间甚至得不到满意的解，故需对 模型进行一定的简化。在实际工作时，内涨心只有零件 A 与 B 跟筒体接触，简化模型 如下： 广东海洋大学 2015 届本科生毕业论文 10 图 3-2 内涨芯简化结构 3.1.2 有限元解 3.1.2.1 材料设置 在校正过程中，内涨芯的液压缸通过推动推杆强行将筒体的外圆校圆，在这过程中， 推杆需要使筒体塑形变形。筒体的材料为 Q345，在 ANSYS 的数据库中，没有非线性材 料的数据，同时也没有 Q345 这种金属材料，故因先在 ANSYS 的材料库之中建立新材料。 由网上资料得 Q345 的应力-应变曲线如下所示： 图 3-3 Q345 应力-应变曲线 并得到数据表 3-1 所示： 序号应力（MPa）应变(mm) 10.00.000000 23450.001655 33450.018700 广东海洋大学 2015 届本科生毕业论文 11 43900.030800 54750.058000 65100.108000 表 3-1 Q345 应力-应变关系表 Q345 属于低合金钢，弹性模量与泊松比均与普通钢材一致，在 ANSYS 的材料库之 中建立材料 Q345，设置密度为 7.85e-6kg mm3，泊松比 0.3 弹性模量 210Gpa，并输入 上表中的应力应变曲线。得到材料属性如下图所示： 图 3-3 Q345 材料属性 3.1.2.2 网格划分 网格质量的好坏直接影响有限元的分析结果，太少的网格会导致计算结果不正确， 形成较差的网格；过多的网格会减低计算的时间。由于简化之后的模型形状比较规律， 对于规律的方形或者圆筒进行网格划分时，一般选用了扫略的网格划分方法。圆筒的 径向是受力的主要部分，为了的到更加精确的解，在圆筒的径向方向添加一个映射网 格划分，划分的层数为 3，得到下面网格： 广东海洋大学 2015 届本科生毕业论文 12 图 3-4 模型网格划分 3.1.2.3 接触及约束 在顶块加压过程之中，假设顶块与圆筒间不发生相对滑动，由于顶块能与圆筒分离， 所以圆筒与顶块之间的接触为粗糙约束，设定压块只沿 Z 轴移动，在 X 轴方向不发生 相对移动，故在 B 面上添加一个无摩擦约束，限制顶块 X 方向的自由度。 对于筒体的约束，有两种情况：1.假如筒体末端固定；2.固定一端顶块。假如采用 方法一，固定筒体的末端，则应力的大小和位移的大小不仅与集中力的大小有关，还 会随筒径与长度的比值而变化。故选择方法二，固定 A 端，在另一个压块的端面上施 加一个集中力 F。 3.1.2.4 后处理 在结果之中添加总应力以及总位移，求解之后得到位移云图如下： 图 3-5 后处理云图 该云图显示的运动状态与实际生活常识相符合，故将得到的位移除以 2 之后既可以得 到单边的位移。 3.1.2.5 数据处理 合众公司给出的设计初始参数中说明，自动焊接工作站需能处理直径 1m4m，壁厚 8mm50mm，最大长度 2.5m 的圆筒。最大错边量小于 5mm，筒体最大塑性变形量小于 20mm 并且常见的处理数据如下所示: 最大直 径： 3200mm 壁厚： 32mm 筒节最长 长度： 2500mm 材质： Q345R 最小直 径： 1000mm 壁厚： 32mm 筒节最长 长度： 2500mm 材质： Q345R 常用尺 寸： 1400-2000mm 壁厚： 14-20mm 筒节最长 长度： 2500mm 材质： Q345R 广东海洋大学 2015 届本科生毕业论文 13 表 3-2 设计初始参数 分析以上的数据，最终确定分析筒的壁厚为 20mm、32mm、50mm 的圆筒压力随直径 的变化。 考虑成本问题，液压缸初选 16MPa，集中力初选 40t，当壁厚为 20mm 时，单边位移 随直径的变化如下： 直径（mm）位移（mm） 100044.116 1600240.18 表 3-3 由以上数据可以看出，在 40t 的集中力下，内涨心能使壁厚 20mm，直径 1000mm 的 圆筒变化位移 44.116mm，所以说明内涨心对壁厚 20mm 的圆筒有一定的处理能力，为了 节省时间成本，故只计算了两个比较特殊的直径。 集中力初选 40t，当壁厚为 32mm 时，单边位移随直径的变化如下： 直径（mm）位移（mm） 100011.972 120016.949 140023.952 160035.630 180048.221 200063.14 3000189.66 4000439.11 表 3-4 由以上数据可以看出，在 40t 的集中力下，内涨心能使壁厚 32mm，直径 1000mm 的 圆筒变化位移 11.972mm，虽然有一定的处理能力，但是效果不明显。当直径达到 1400mm 时，处理效果明显。在实际生产之中，直径 1000mm 厚度 32mm 这样的厚壁圆筒 不常见， 当直径为 1400mm4000mm 时，内涨心的处理能力较为明显。 集中力初选 40t，当壁厚为 50mm 时，单边位移随直径的变化如下： 直径（mm）位移（mm） 10004.149 12004.960 14007.118 16009.391 180011.895 200015.655 广东海洋大学 2015 届本科生毕业论文 14 300048.708 4000104.28 表 3-5 由以上数据可以看出，在 40t 的集中力下，内涨心处理使壁厚 50mm，直径小于 1800mm 的圆筒时，效果很不明显。 3.1.2.6 结论 由以上数据可以看出，当壁厚小于等于 32mm 时，内涨芯能使最难处理的尺寸 直径为 1000mm 的圆筒的错边量变化 11.972mm，符合合众公司的要求。但是对于壁厚 50mm，直径小于 1400mm 的筒体，内涨芯的处理能力无法达到合众公司的要求。由于内 涨心的结构限制，故处理这种壁厚较大的圆筒时，主要采用外压的方法。 综合以上分析，选用压力 16MPa，压力 40t 的液压缸作为内涨芯的液压缸是可行的。 3.2外压过程中错边量与直径，壁厚，压力之间的关系。 3.2.1 问题描述 外立柱的结构如下图所示： 图 3-6 外立柱结构 外顶机构主要是通过液压缸推动压块，使压块将外凸的部分强制校圆。为了保证 校圆工作能顺利完成，液压缸需要提供足够大的推力，因此我们首先需要分析各系列 筒体在最坏状态下能够完成组对时，所需的推力是多少。液压缸推力大小主要通过有 限元分析来模拟，采用直接加载的方法来求的液压缸的推力大小。即直接向筒体施加 一个集中力，得出筒体的变形量。 由图 3-7 可以看出，外顶机构的结构复杂，如果对外压机构直接建立模型进行分 析，会耗费大量的时间甚至得不到满意的解，并且也没这个必要。故需对模型进行一 定的简化。在实际工作时，外顶机构只有零件 A 与 B 跟筒体接触，简化模型如下： 广东海洋大学 2015 届本科生毕业论文 15 图 3-7 外顶机构模型简化 3.2.2 有限元解 3.2.2.1 材料设置 在校正过程中，我们希望圆筒发生塑性变形，由于 ANSYA 的材料库之中没有 Q345 这种材料，故因先在 ANSYS 的材料库之中建立新材料。 由网上资料得 Q345 的应力-应变曲线如下所示： 图 3-8 Q345 应力-应变曲线 并得到数据表格如下： 序号应力（MPa）应变(mm) 10.00.000000 23450.001655 33450.001870 43900.030800 54750.058000 65100.108000 广东海洋大学 2015 届本科生毕业论文 16 表 3-6 Q345 应力-应变关系表 在 ANSYS 的材料库之中建立材料 Q345，设置密度为 7.85e-6kg mm3，泊松比 0.3 弹性模量 210Gpa，并输入上表中的应力应变曲线。得到材料属性如下图所示： 图 3-9 3.2.2.2 网格划分 网格质量的好坏直接影响有限元的分析结果，太少的网格会导致计算结果不正确， 形成较差的网格；过多的网格会减低计算的时间。由于简化之后的模型形状比较规律， 对于规律的方形或者圆筒进行网格划分时，一般选用了扫略的网格划分方法。圆筒的 径向是受力的主要部分，为了的到更加精确的解，在圆筒的径向方向添加一个映射网 格划分，划分的层数为 3，得到下面网格： 图 3-10 外立柱模型网格划分 3.2.2.3 接触及约束 在顶块加压过程之中，假设顶块与圆筒间不发生相对滑动，由于顶块能与圆筒分离， 所以圆筒与顶块之间的接触为粗糙约束，设定压块只沿 Z 轴移动，在 X 轴方向不发生 相对移动，故在 B 面上添加一个无摩擦约束，限制顶块 X 方向的自由度。 对于筒体的约束，有两种情况：1.假如筒体末端固定；2.固定一端顶块。假如采用 广东海洋大学 2015 届本科生毕业论文 17 方法一，固定筒体的末端，则应力的大小和位移的大小不仅与集中力的大小有关，还 会随筒径与长度的比值而变化。故选择方法二，固定 A 端，在另一个压块的端面上施 加一个集中力 F。 3.2.2.4 后处理 在结果之中添加总应力以及总位移，求解之后得到位移云图如下： 图 3-11 后处理云图 该云图显示的运动状态与实际生活常识相符合，故将得到的位移除以 2 之后既可以 得到单边的位移。 3.2.2.5 数据处理 合众公司给出的设计初始参数中说明，自动焊接工作站需能处理直径 1m4m，壁厚 8mm50mm，最大长度 2.5m 的圆筒。最大错边量小于 5mm，筒体最大塑性变形量小于 20mm 并且常见的处理数据如下所示: 最大直 径： 3200mm 壁厚： 32mm 筒节最长 长度： 2500mm 材质： Q345R 最小直 径： 1000mm 壁厚： 32mm 筒节最长 长度： 2500mm 材质： Q345R 常用尺 寸： 1400-2000mm 壁厚： 14-20mm 筒节最长 长度： 2500mm 材质： Q345R 表 3-7 设计初始参数 分析以上的数据，最终确定分析筒的壁厚为 20mm、32mm、50mm 的圆筒压力随直径 的变化。 考虑成本问题，液压缸初选 16MPa，集中力初选 35t，当壁厚为 20mm 时，单边位移 广东海洋大学 2015 届本科生毕业论文 18 随直径的变化如下： 直径（mm）位移（mm） 100059.68 1600241.62 表 3-8 由以上数据可以看出，在 35t 的集中力下，外立柱能使壁厚 20mm，直径 1000mm 的 圆筒变化位移 59.68mm，所以说明内涨心对壁厚 20mm 的圆筒有一定的处理能力，为了 节省时间成本，故只计算了两个比较特殊的直径。 集中力初选 35t，当壁厚为 32mm 时，单边位移随直径的变化如下： 直径（mm）位移（mm） 100010.763 120015.530 140020.614 160029.891 180049.938 200065.535 3000235.731 表 3-9 由以上数据可以看出，在 35t 的集中力下，外立柱能使壁厚 32mm，直径 1000mm 的 圆筒变化位移 10.763mm，虽然有一定的处理能力，但是效果不明显。当直径达到 1400mm 时，处理效果明显。在实际生产之中，直径 1000mm 厚度 32mm 这样的厚壁圆筒 不常见， 当直径为 1400mm4000mm 时，外立柱的处理能力较为明显。 集中力初选 35t，当壁厚为 50mm 时，单边位移随直径的变化如下： 直径(mm)位移(mm) 10003.109 12004.072 14005.755 16009.093 180011.647 200014.751 300040.437 4000101.73 表 3-10 广东海洋大学 2015 届本科生毕业论文 19 3.2.2.6 结论 由以上数据可以看出，在 35t 的集中力下，外立柱处理使壁厚 50mm，直径小于 2000mm 的圆筒时，效果很不明显。 由于在实际生产之中，50mm 的厚壁圆筒并不常见，故我们提出在外立柱中预留油 口，当需要处理直径小于 2000mm 且壁厚较厚的圆筒时，换上压力较大的液压缸，并在 外立柱上增加横梁，提高外立柱的刚度。 对于直径 1000mm，厚度为 50mm 的筒体，单边位移随压力的变化如下： 集中力（t）位移（mm）应力（MPa） 353.109278.02 403.838316.24 454.344339.29 504.915343.86 555.378344.78 605.846345.18 656.328345.59 706.831346.74 757.358348.4 807.903350.11 858.458351.82 表 3-11 由于考虑到成本还有体积问题，最终确定选用选用压力 16MPa，压力 40t 的液压缸 作为外立柱的液压缸是可行的。并且选用 16MPa，压力 60t 的液压缸作为备用液压缸。 3.3内涨心处理鸡胸问题的能力 3.3.1 问题描述 在实际生产之中，筒体可能会在横向焊接处产生一定的凹陷，在实际生产中称这种 情况为鸡胸问题。鸡胸问题是实际生产之中难以处理的问题之一，所以需要单独考虑 内涨心对鸡胸问题的处理能力。 由于外面的支撑爪带有浮动的弹簧，如下图 3-12 所示： 广东海洋大学 2015 届本科生毕业论文 20 图 3-12 内涨芯结构 故当内涨心的顶块接触到鸡胸问题时，有两种情况： 情况一：反作用力与三个支撑爪中任意一个爪的轴线在同一条直线上，如图 3-13 所示： 图 3-13 受力情况一 在这种情况下，中间推杆的轴线会下降，鸡胸对应的压块会与圆筒的下表面接触上， 如图 3-14 所示： 广东海洋大学 2015 届本科生毕业论文 21 图 3-14 模型简化一 这种情况下，主要受反作用力的是圆筒的下边面。 情况二：反作用力的作用线不与任意一根爪的轴线在同一直线上，如图 3-15 所示： 图 3-15 受力情况二 在这种情况下，主要受反作用力的是中间的推杆以及支撑爪的后面两个爪。如图 3-16 所示： 广东海洋大学 2015 届本科生毕业论文 22 图 3-16 模型简化二 3.3.2 针对情况一进行的有限元分析 3.3.2.1 模型简化 考虑到在压块受压过程中可能会压坏下边的圆筒，故将压块的外形修改成图 3-17 所示： 图 3-17 优化后压块 建立新的模型，圆筒的直径为 1000mm 的圆筒，壁厚 20mm，鸡胸的错变量为 20mm。 下面的压块边长为 200*200*200mm，半径 250mm。 上面的压块宽度为 100mm，半径 150mm。如图 3-18： 广东海洋大学 2015 届本科生毕业论文 23 图 3-18 情况一简化模型 3.3.2.2 接触与约束 设置两边推块与中间推块之间的接触为不分离接触，压块与筒体间的接触为粗糙约 束，固定圆筒的末端，在中间的滑块上加一个沿 X 方向-30mm 的位移（折合为单边错边 量为 10mm） ，如图 3-19： 图 3-19 3.3.2.3 数据分析 当中间推块的位移达到最大时，鸡胸部分与位移为 14.129mm，下边的位移为 广东海洋大学 2015 届本科生毕业论文 24 7.5537mm 如图 3-20 所示： 图 3-20 最大位移云图 当位移回撤之后，鸡胸部分的位移为 9.0149，非鸡胸部分的位移为 4.1497，如图 3-21： 图 3-21 回撤后云图 由于实际生产之中，下压块接触的是两个筒体，所以位移会比以上模拟情况更小。 3.3.2.4 结论 由以上数据可以看出，在第一种情况下，对于优化之后的压块，压块使鸡胸问题内 凹部分的变形大于下边支撑部分，故内涨芯能处理鸡胸问题且不会损害圆筒的底部。 广东海洋大学 2015 届本科生毕业论文 25 3.3.3 针对情况二进行的有限元分析 3.3.3.1 模型简化 建立新的模模型简化型，圆筒的直径为 1000mm 的圆筒，壁厚 20mm，鸡胸的错变量 为 20mm。上面的压块宽度为 100mm，半径 150mm,下边压块如图 3-22 所示： 图 3-22 优化后压块 图 3-23 简化模型 中间的推杆的圆心与圆筒的圆心重合，上边推块与鸡胸部分相切，下边的推块与筒 广东海洋大学 2015 届本科生毕业论文 26 壁的最小距离为 20mm（与鸡胸错边量相同。 ） 3.3.3.2 接触与约束 设置中间推块与两边推块间的接触为不可分离接触，推块与圆筒间的接触关系为粗 糙。 在推杆的一段建立一个面如图 3-24 所示： 图 3-24 推杆简图 在推杆后面的曲面上加一个无摩擦约束（后面一小段只能沿 Z 轴移动与转动，前面 相当一个悬臂结构） 。 如图