内孔四层套扁挤压筒的组合应力分析

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2000.05.018 第22卷第5期 北京科技大学学报 Vol.22 No.5 2000年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2000 内孔四层套扁挤压筒的组合应力分析 王开坤谢建新 北京科技大学材料科学与工程学院 摘要采用弹性有限元法对生产大型整体壁板用扁挤压简在实际工作状态下应力分布进行 了数值模拟，获得了在不同装配条件和加热条件下扁挤压简的应力分布状况.结果表明，对内 孔尺寸为850mm×250mm的4层套扁挤压简，带及不带中间层加热圈时其等效组合应力分布 存在较大差别.在热挤压工作状态下，工作内压为500MPa,装配方案为(22,2.0,1.5)时，4层套 扁挤压简最大等效组合应力在有无中间层加热圈时均低于扁挤压简的许用应力， 关键词有限元法：扁挤压简：应力分析：热应力：强度条件 分类号TG376.2:TB125文献标识码：A 铝合金整体壁板，由于其具有比强度高、加 的应力称为组合应力. 工方便、性能可靠等优点，在航空、航天、造船、 2计算结果及分析 运输、建筑工业等领域有着极其广泛的应用前 景，其制造技术也日益受到各国的重视.但限制 2.1工作应力及热应力分布 其生产应用的主要因素是生产用大型扁挤压筒 图1是装配方案为(1.25,1.25,1.25)、工作 的强度问题一直没有得到解决.在仅考虑装配 内压为500MPa,在不考虑温度场作用下扁挤压 应力和工作内压的条件下，扁挤压筒的应力分 简的等效工作应力分布图.从图中可以看出，最 布状况已进行了模拟分析，笔者曾用有限元法 大等效工作应力出现在内层套工作表面靠近X 分析了扁挤压筒温度场及热应力冈，但没有考虑 轴区域，其大小已远超过扁挤压筒材料 实际工作时挤压力的作用.针对以上不足，本文 3Cr2W8V在常温下的许用应力1100MPa.这表 考虑了装配应力、工作内压和热应力的综合作 用，采用弹性有限元数值计算方法，对扁挤压简 1.1 1.0 21 在实际工作状态下的内应力分布进行全面分 析，为优化扁挤压筒的结构尺寸、装配条件和工 0.8 作条件提供参考 00 120 0.6 1计算模型假设 E (1)参考现场实际使用情况，本文分析对象 0.2 选为内孔尺寸为850mm×250mm的4层套结构 扁挤压筒，其结构尺寸及热模型图同文献[2]. 0 155012D0000Q (2)扁挤压简在轴向承受的载荷很小，其受 00.20.40.60.81.0 力状态近似为平面应力状态. X/m (3)扁挤压简各层套的弹性模量、泊松比、 图1工作内压500MPa,装配方案为(2.2,2.0,1.5)时，扁挤 压简的工作应力分布（等效应力，MPa) 导热系数和线膨胀系数相同. 注：装配方案(2.2,2.0,1.)表示第一、二层套间的相对过盈为 由于结构的对称性，仅取Y平面的1/4进 2.2/1000:第二、三层套间的相对过盈量为2.0/1000：第三、 行计算.在计算过程中采用三角形常应力单元. 四层套间的相对过盈量为1.5/1000. 由过盈装配和工作内压产生的应力称为工作应 Fig.1 Working Stress distribution(equivalent stress, 力，由温度引起的应力称为热应力，两者叠加后 MPa),extrusion pressure 500 MPa,shrink-fitting method 1999-01-12收稿王开坤男，32岁，讲师，硕士 (2.2,2.0,15

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 介 叭 内孔四 层套扁挤压筒 的组合应 力分析 王开坤 谢建新 北京科技大学材料科学与工程学院 摘 要 采用 弹性有 限元法对 生产大 型 整体壁板用扁挤压 筒在 实际工 作状态下 应 力分布 进行 了数值模拟 ， 获得 了在 不 同装配条 件和 加热 条件 下 扁挤压筒 的应 力分布 状况 结 果 表 明 ， 对 内 孔尺 寸为 刃。 的 层 套扁 挤压 筒 ， 带及 不 带 中间层 加 热 圈时其等 效 组 合应 力 分布 存在 较 大差 别 在 热挤压工 作状态 下 ， 工 作 内压 为 ， 装配方 案 为 ， ， 时 ， 层 套 扁 挤 压筒 最大 等 效 组合 应 力在 有无 中 间层 加 热 圈 时均 低 于 扁 挤压 筒 的许 用 应 力 关键词 有 限元法 扁 挤 压筒 应 力分析 热 应 力 强度 条件 分类号 文献标 识码 铝 合金 整 体壁板 ， 由于 其具有 比强度高 、 加 工 方 便 、 性 能 可靠等优 点 ， 在航 空 、 航天 、 造船 、 运输 、 建筑 工 业等领域有着 极 其广 泛 的应 用 前 景 ， 其制造技术也 日益受 到各 国的重 视 但 限制 其 生产 应用 的主要 因 素 是 生产 用 大型 扁挤压筒 的 强 度 问题 一直 没 有 得 到 解 决 在仅 考虑 装配 应 力和 工 作 内压 的条件 下 ， 扁挤压筒 的应 力分 布状况 已进行 了模拟分 析 笔者 曾用 有 限元法 分析 了扁挤压 筒温度场及热应力 〔 ， 但没 有考虑 实际工 作时挤压力的作用 针对 以上不 足 ， 本文 考 虑 了 装 配应 力 、 工 作 内压 和 热 应 力 的综 合 作 用 ， 采用 弹性有 限元数值计算 方法 ， 对扁挤压 筒 在 实 际 工 作 状 态 下 的 内应 力 分 布 进 行 全 面 分 析 ， 为优化扁 挤压 筒 的结构 尺 寸 、 装配条件和 工 作条 件提供参 考 的应 力称 为组 合 应 力 计算结果及分析 工作应 力及热应 力分布 图 是 装 配方 案 为 ， ， 、 工 作 内压 为 ， 在不考虑温度场 作用 下 扁挤压 筒 的等效工 作应力分布 图 从 图 中可 以看 出 ， 最 大 等效工 作应 力 出现在 内层 套 工 作表 面靠近 轴 区 域 其 大 小 已 远 超 过 扁 挤 压 筒 材 料 在常温 下 的许用 应 力 这表 计算模型假设 参考现场实际使用情况 ， 本文 分析对象 选 为 内孔尺寸为 。 的 层 套结 构 扁 挤压 筒 ， 其 结 构尺 寸及 热 模型 图 同文 献 〔 扁挤压 筒在轴 向承受 的载荷很 小 ， 其 受 力 状 态近似 为 平 面 应 力 状态 扁 挤压 筒各 层 套 的弹 性模量 、 泊 松 比 、 导 热 系数和 线膨 胀 系 数相 同 由于 结构 的对称 性 ， 仅 取 平面 的 进 行计算 在计算过程 中采用三 角形常应力单元 由过 盈装配和 工 作 内压产 生 的应力称 为工作应 力 ， 由温度 引起 的应力称 为热应力 ， 两者 叠加 后 一 · 收稿 王 开 坤 男 ， 岁 ， 讲师 ， 硕 士 图 工作内压 ， ， 装配方案为 苏， · 匀时 ， 扁挤 压筒 的工作应 力分布 等效应 力 ， 注 装配方案 禹， 习表示第一 、 二层套间的相对过盈为 侧洲】 第二 、 三层套间的相对过盈量为 第三 、 四 层套间的相对过盈 为 馆 心 ， 田 ， ， ， ， 一 匀 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2000．05．018

Vol.22 No.5 王开坤等：内孔四层套扁挤压筒的组合应力分析 ·465· 明，该装配方案和工作压力不能满足生产使用 1.1 要求，需要改进设计方案或改善使用条件. 1.0 430 图2是忽略装配应力和工作内压的作用， 0.8 只考虑内表面工作温度为500℃和最外层外表 面温度为300℃时的热应力分布图.可以看出， 0.6 其最大等效应力为570MPa,也出现在内孔圆角 0.4 处距X轴线约80mm区域. 400 1.1 0.2 0 1.0 0 0.8 60 0 0.20.40.60.81.0 X/m 0.6 0 图3工作内压为500Ma,装配方案为(2,22.0,1.5)，不带 加热圈进行挤压时的组合应力分布图（等效应力，MP) 0.4 Fig.3 Combined stress distribution (equivalent stress, 120 MPa)with no middle heating ring,extrusion pressure 0.2 420 500 MPa,shrink-fitting method(2.2,2.0,1.5). 0 0.20.4 0.6 0.81.0 层的等效应力值分别都增大了，第三层约平均 X/m 增加50%，第四层约平均增加100%.这是由于 图2工作温度为500℃，不考虑工作内压和装配应力时，扁 从内层工作表面500℃到最外层表面300℃所 挤压简的热应力分布图（等效应力，MPa) 产生的热变形已完全改变第二层套的应力应变 Fig.2 Therinal stress distribution (equivalent stress,MPa) 状况，但其对应的等效应力值大小基本未变.第 under extrusion temperature 500C,with no extrusion 三、四层在未考虑热变形时其应力总体上处于 pressure and no shrink-fitting pressure. 拉伸变形状态，不均匀的热膨胀变形进一步加 2.2热挤压时扁挤压筒的组合应力分析 强了原来各节点的应力应变状况，因而等效组 图3是在热挤压工作状态下的扁挤压筒等 合应力迅速增加. 效组合应力分布图.从图中可以看出，最大等效 23带加热圈时热挤压扁挤压筒的组合应力分布 组合应力为1I80MPa,仍集中在第一层的内孔 在铝合金整体壁板的实际生产过程中，通 靠近X轴的区域.通过与图1的比较可以看出， 常在扁挤压筒的第二层中间位置加上一层加热 其最大等效应力下降25.8%.但图3的最大等效 圈，其温度为450℃.图4是在图3的基础上加 组合应力仍超过扁挤压筒的许用应力，这说明 上加热圈时的等效组合应力分布图.从图中可 该方案要重新设计或应使用其他方法改善其应 1.1 力分布. 1.0 造成上述最大等效组合应力下降的主要原 0.8 300 因是在热挤压过程中，由于内层套工作表面温 0.6 度增加到500℃，从最内层到最外层产生不同程 300 度的附加的热膨胀变形.由于内层套的非对称 0.4 性，这种热膨胀变形在内层套长轴和短轴方向 0.2 产生不均匀附加变形，从而导致计算过程中相 0 2004业 应节点应力的降低，使等效组合应力值也相应 00.20.40.60.81.0 地降低. Xm 另一方面，从图3还可看出，第二、三、四层 图4工作内压为500MPa,装配方案为(2.2,2.0,1.5)，带加 热圈进行热挤压时的组合应力分布图（等效应力，MP) 套的等效组合应力也产生不同程度的变化，但 Fig.4 Combined stress distribution (equivalent stressm, 其大小都远低于第一层的最大等效组合应力和 MPa)with middle heating ring.extrusion pressure 500 扁挤压筒的许用应力.除第二层外，第三和第四 MPa,shrink-fitting method(2.2,2.0,1.5)

匕 王 开 坤等 内孔 四层 套扁挤压 筒 的组 合应力分析 ，二 … ︵‘且 明 ， 该装配方 案和 工 作 压 力 不 能满足 生产 使用 要 求 ， 需 要 改进设计 方 案或 改 善使 用 条件 图 是 忽 略 装配应 力 和 工 作 内压 的作 用 ， 只 考虑 内表面 工 作温度 为 ℃ 和 最 外 层 外 表 面 温度 为 ℃ 时 的热 应 力 分 布 图 可 以看 出 ， 其最大等效应力为 ， 也 出现在 内孔 圆角 处 距 轴线约 区 域 戈袄 图 工作内压为 ， 装配方案为 二， 匀 ， 不带 加 热圈进行挤压时的组合应力分布图 等效应 力 ， 口 ， 叫 钾 】 渭 ， ，血 ， ， 加 ， 夕 ， · 匀 · 图 工作温度为 加 ℃ ， 不考虑工作 内压和装配应 力时 ， 扁 挤压筒的热应 力分布图 等效应 力 ， 啥 璐 巴拙 拟 ℃ ， 初 明 州，， 代 · 热挤压 时扁挤压 筒的组合应 力分析 图 是在热挤压 工 作状态 下 的扁挤压 筒等 效组合应力分布 图 从 图 中可 以看 出 ， 最 大等效 组 合应 力为 ， 仍集 中在 第一 层 的 内孔 靠近 轴 的 区 域 通过与 图 的 比较可 以看 出 ， 其最大等效应力 下 降 但 图 的最 大等 效 组 合应 力 仍 超过扁 挤压 筒 的许 用 应 力 ， 这 说 明 该 方案要重新设计或应 使用 其他方法 改善其应 力分 布 造成 上 述最大 等效组合应 力 下 降的主 要 原 因 是 在热 挤压过程 中 ， 由于 内层 套 工 作表面 温 度增 加到 ℃ ， 从最 内层 到最外层 产生 不 同程 度 的 附加 的热 膨胀变 形 由于 内层 套 的 非 对 称 性 ， 这种 热 膨胀变形在 内层 套长 轴和 短 轴 方 向 产 生不 均匀 附加 变形 ， 从而 导 致 计 算过程 中相 应 节 点应 力 的 降低 ， 使等 效 组合 应 力值 也 相 应 地 降低 另一 方面 ， 从 图 还 可 看 出 ， 第二 、 三 、 四层 套 的等效组合应 力也 产 生 不 同程度 的变化 ， 但 其大小都远低 于第一层 的最大等效组 合应力和 扁挤压 筒的许用应 力 除第 二层 外 ， 第三和 第 四 层 的等效应 力值分别都增 大 了 ， 第三层 约平均 增 加 ， 第 四 层 约 平 均增加 这是 由于 从 内层 工 作 表 面 ℃ 到 最 外 层 表 面 ℃ 所 产 生 的热 变形 已完全 改变第二 层套 的应力 应变 状况 ， 但其对应 的等效应 力值大 小基本未变 第 三 、 四 层 在 未 考虑 热 变形 时其应 力总 体 上 处于 拉伸 变形 状态 ， 不 均匀 的热 膨胀变形进一 步加 强 了 原来各节 点 的应 力应变状况 ， 因而 等 效组 合应 力迅速增加 带加 热圈时热挤压扁挤压 筒的组合应 力分布 在铝 合 金整体壁板 的实 际 生产 过程 中 ， 通 常在扁挤压筒 的第二层 中间位置 加上一层 加热 圈 ， 其温度 为 ℃ 图 是在 图 的基 础上 加 上 加 热 圈 时 的等效 组 合应 力 分布 图 从 图 中可 图 工作内压为 ， 装配方案为 禹， 匀 ， 带加 热圈进行热挤压时的组合应 力分布图 等效应 力 ， 褚 翔 叫 】 ， ， 代 朋 ， 恤 夕， 匀

·466· 北京科技大学学，报 2000年第5期 以看出，其最大等效组合应力变为1060MPa, 形，因此整体组合应力水平进一步减小.加热圈 比无加热圈时下降10.2%，并且已基本小于扁挤 的存在使第二层中各节点均产生热膨胀变形， 压筒的许应用力，此外，第二层等效组合应力平 因此相对于无加热圈时其等效组合应力平均值 均上升约14%22%，第三和第四层等效组合应 增加了，在第三、四层中，由加热圈产生的热变 力反而分别下降约14%一20%和22%40%.最 形部分削弱了由内表面工作内压在该处所产生 大等效组合应力的位置以及第二、三、四层的应 的拉伸变形，因此在该处等效组合应力反而降 力分布状况基本未变. 低. 以上应力升降状况表明，加热圈的存在对 表1为扁挤压筒的几何尺寸保持不变，将 热挤压过程中扁挤压筒的内应力分布有较大影 装配方案改为(1.5,1.5,1.5)和(2.2,2.0,1.5)时的 响.在内层套中，由于加热圈的作用所产生的压 最大等效组合应力计算结果， 缩变形部分抵消了由工作内压产生的拉伸变 由表可知，填加装配相对过盈量，扁挤压筒 表1不同条件下内孔尺寸850mm×250mm扁挤压简内的最大等效应力 Table 1 Maximum equivalent stress of the container under different conditions Cosme/MPa 序号 相对过盈量% 装配后 S00MPa内压时热挤压（无加热圈）热挤压（带加热圈） 1 0.125,0.125,0.125 700 1590 1180 1060 2 0.15,0.15,0.15 810 1300 860 800 3 0.22,0.20,0.15 1110 1090 780 730 内装配应力水平有所提高，有助于降低其实际 的应力分布状况，并与装配应力一起削弱由工 工作时的等效应力.但过盈量过大时，在装配过 作内压在内层套所产生的应力水平. 程中扁挤压筒就可能开裂报废，所以，当工作内 (4)当工作内压为500MPa时，热挤压生产 压为500MPa时，在用本挤压简热挤压生产铝 中装配方案(2.2,2.0,1.5)可以不需要中间层加 合金整体壁板时应采用方案(2.2,2.0,1.5). 热圈.这样可以有效地节约材料，降低能源消 3结论 耗，提高经济效益。 参考文献 (1)挤压生产过程中，扁挤压筒各层内的等 效应力分布不均，最大等效应力出现在内层套 1 XIN Jianxin,ZHAO Yunlu.Stress Analysis of Multiplayer Flat Container for Extruding Aluminum Sheet with Flange 靠近内孔长轴附近. by FEM.in:Proceedings of International Symposium on (2)热应力的存在对计算扁挤压筒的等效 Strength Theory:Application,Development Prospects 应力分布影响很大，它可以有效地降低内层套 for 21st Century.Xi'an,1998.1063 的最大等效应力值.但热应力并不能改变扁挤 2王开坤，谢建新，刘静安，等，大型整体壁板用扁挤压 压筒的应力分布型式：第二、三、四层的等效应 简的温度场及热应力分析.锻压技术，2000(5)：125 力远低于扁挤压筒的许用应力，最大等效应力 3孔样谦.有限元法在传热学中的应用.北京：科学出 版社，1986 出现在内层套靠近内孔长轴附近 4吕丽萍.有限元法及其在锻压工程中的应用.西安： (3)加热圈的存在可以改变整个扁挤压筒 西北工业大学出版社，1989 Cohinined Stress Analysis of Multilayer Flat Container with Internal Hole WANG Kaikun,XIE Jianxin Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The stress distribution of multilayer flat container for extruding aluminum sheet with flange has been simulated by FEM under different heating condition and shrink-fitting range.The results show that the distribution of equivalent combined stress for multilayer flat container with hole size 850x250mm differs sha- rply between the container with middle heating ring and that with no middle heating ring.In the state of hot extrusion under extrusion pressure 500 MPa,the container of shrink-fitting range(2.2,2.0,1.5)can meet the strength condition of the container whether with the heating ring or not. KEY WORDS finite element method;multilayer flat container;stress analysis;thermal stress strength con- ditionl

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 以看 出 ， 其最 大等效组 合应 力变 为 ， 比无加热 圈 时下 降 ， 并 且 已基本小于 扁挤 压筒 的许应用 力 此外 ， 第 二层 等效 组 合 应力平 均 上 升 约 一 ， 第 三 和 第 四层 等 效 组 合应 力 反 而 分 别 下 降约 一 和 礴 最 大等效组 合应力 的位置 以及 第二 、 三 、 四层 的应 力 分 布状况 基本 未变 以上应 力升 降状况表 明 ， 加 热 圈的存在 对 热 挤压 过程 中扁挤压 筒 的 内应力分 布有较大影 响 在 内层 套 中 ， 由于加 热 圈 的作用 所产 生 的压 缩 变 形 部 分 抵 消 了 由 工 作 内压 产 生 的 拉 伸 变 形 ， 因 此整体组合应 力水平 进一步减小 加热 圈 的存在 使第 二 层 中各节 点均 产 生 热 膨胀变形 ， 因此相 对于 无加 热 圈时其等效组合应力平 均 值 增 加 了 在 第 三 、 四 层 中 ， 由加热 圈产 生 的热 变 形部 分 削 弱 了 由 内表面工 作 内压在 该 处所产 生 的拉伸 变形 ， 因 此在 该 处 等效组 合 应力 反而 降 低 表 为扁挤压 筒 的几 何尺 寸保 持 不 变 ， 将 装配方案改为 ， ， 和 ， ， 时的 最 大 等 效 组 合应力 计 算 结 果 由表可 知 ， 填加 装配相 对过盈量 ， 扁 挤压筒 表 不 同条件下 内孔尺寸 幼 扁挤压筒 内的最大等效应 力 叫 。 号拈 到 序号 相对过盈量机 装配后 内压时 热挤压 无加热圈 热挤压 带加热圈 ， ， ， ， ， ， 内装配应 力 水 平有所提 高 ， 有助 于 降低 其 实 际 工 作 时 的等效应力 但过 盈量过大 时 ， 在 装配过 程 中扁 挤压筒就可 能开裂报废 所 以 ， 当工 作 内 压 为 时 ， 在用 本挤压 筒热 挤压 生产 铝 合金 整 体 壁板 时应采用 方 案 ， ， 结论 的应 力 分 布状况 ， 并 与 装 配应 力 一 起 削 弱 由工 作 内压在 内层 套 所产 生 的应 力 水 平 当工 作 内压 为 时 ， 热 挤压 生 产 中装配方 案 ， ， 可 以不 需 要 中间层 加 热 圈 这样 可 以有效地节 约 材料 ， 降低 能源 消 耗 ， 提 高经 济效益 挤压 生产过程 中 ， 扁挤压筒各层 内的等 效 应 力 分布 不 均 ， 最 大 等 效 辱力 出现在 内层 套 靠 近 内孔长 轴 附近 热 应 力 的存在 对 计算扁 挤压 筒 的 等 效 应 力 分布 影 响 很 大 ， 它 可 以有 效 地 降低 内层 套 的最 大 等效应 力值 但热 应 力并 不 能改变扁挤 压 筒 的应 力 分 布 型 式 第 二 、 三 、 四层 的等 效应 力 远低 于 扁挤 压 筒 的许用 应 力 ， 最大等效应 力 出现在 内层 套靠近 内孔长轴 附近 加热 圈 的存在 可 以改变整个扁挤 压 筒 参 考 文 献 ， 、 仙 七 邵 团 。 ， ， ， 王开坤 ， 谢建新 ， 刘 静安 ， 等 大 型整 体壁板用扁挤压 筒 的温度场 及热 应 力分析 锻压技术 ， 孔样谦 有 限元法在传热 学 中的应用 北京 科学 出 版 社 ， 吕丽 萍 有 限元法及 其在锻压 工程 中的应用 西 安 西 北 工 业大 学 出版社 ， 砰还 ， 石万 五口 ， ， ， 切 盯 月七 七万 而 ， 七水币廿谊 ， ， 盯 小