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                        高速列車鋁合金橫梁型材擠壓流動規律研究

                        添加時間:2019/08/26 來源:山東大學 作者:楊珊
                        通過實驗測試獲得了 7N01錯合金鑄錠的力學性能參數及熱物理性能參數,將熱壓縮實驗與逆向分析方法相結合,獲得了7N01錯合金鑄錠的Arrhenius本構模型參數。
                        以下為本篇論文正文:

                         摘要

                          近年來,高速列車發展迅猛,速度等級不斷提升,車體輕量化的需求十分迫切。鉛合金因具有重量輕、強度離、導電導熱性好、耐腐蝕、外形美觀等優點而成為離速列車制造的首選結構材料。目前高速列車底架主要采用7N01侶合金擠壓型材。7N01鉛合金屬于高強硬質鉛合金,擠壓成形難度較大,目前國內外文獻中針對7N01鉛型材擠壓成形王藝與模具結構設計方面的研巧較少,該類鉛型材擠壓生產中還存在成品率低和模具壽命短等主要問題,在一定程度上限制了該類鉛合金型材的研發和應用。因此,7N01鉛型材擠壓模具設計、工芝制定、產品質量控制等關鍵問題迫切需要科學的開發手段。而科學的擠壓工藝和模具設計方法來源于對劇烈大變形擠壓過程中的材料變形機理、本構關系、流動規律、工藝模具參數的影晌規律等科學問題的深刻認識和掌捏,這些問題的解決將有助于提高7N01鉛型材擠壓的成品率、產品質量及模具壽命。

                          本文高速列車7N01鉛合金橫梁型材為研究對象,采用數值模擬與實驗相結合的方法,測試了7N01鉛合金鑄錠的力學和熱物理性能參數,建立了描述7N01錯合金鑄錠高溫流變行為的Arrhenhis本構模型,通過對擠壓過程進行數值模擬,研究了擠壓工藝參數對型材質量、擠壓力及模具強度的影響規律,并分別采用響應曲面方法和網格變形技術對模具結構進行了優化設計。本論文的主要研究內容和成果如下:

                          (1)系統測試了7N01錯合金鑄錠的力學和熱物理性能參數。通過熱壓縮實驗獲得了7N01鉛合金鑄錠在不同溫度和不同變形速度下的力-位移曲線,并采用逆向分析方法獲得了7N01鉛合金鑄錠材料的Arrhenius本構模型參數。

                          (2)基于HyperXtrude軟件,對7N01錯合金橫梁型材擠壓全過程進行了數值模擬,通過與實際生產的料頭形狀、擠壓機出口處型材表面溫度歷史曲線及擠壓力歷史曲線進行對比,兩者吻合良好,驗證了本項目所建立的本構模型及數值模型的準確性。

                          (3)采用Taguchi實驗設計方法,硏究了鑄錠直徑、擠壓速度、模具溫度、鑄錠預熱溫度及擠壓筒濕度對型材出口截面材料流動均勻性、擠壓力及模具所受最大應力的影響規律,并確定了最優的擠壓工藝參數組合,分析了擠壓工藝參數對型材出口截面材料流動均勻性、擠壓力及模具所受最大應力影響程度的大小。

                          (4)采用響應曲面方法對導流室輪廓及髙度尺寸進行了優化設計,并在此基礎上,借助網格變形技術,結合數值模擬與優化算法,對導流室輪廓尺寸進一步進行了優化。

                          關鍵詞:7N01鉛合金;鉛型材擠忠逆向分析方法;擠壓模具;數值模擬:優化設計

                        ABSTRACT

                          In recent years, with the fast development of high-speed trains in China, it is very urgent for the demand of lightweight car body. With the advantages of light weight, high strength, good electrical and thermal conductivity, corrosion resistance, beautiful appearance and easy of recycling, aluminum profiles have become main structure material of high-speed trains. Currently, the chassis of high-speed trains are mainly manufactured by 7N01 aluminum alloy profiles. As is a kind of high-strength and hard aluminum alloy, the extrusion process of AA7N01 is very difficult. However, there are few literatures on extrusion process and die structure design for AA7N01 profiles. At present, there still exist several main problems such as low rate of finished products and short life cycle of die on AA7N01 extrusion process, which limits the research and development of this kind of aluminum alloy profiles to a certain extent.Therefre, it is very urgent to use scientific methods to study the key problems, such as die design, process formulation and products quality control for AA7N01 profiles.

                          However, scientific methods are based on deep understanding of deformation mechanism, constitutive relation, material flow behavior and the effects of process and die structure parameters during AA7N01 extrusion process. The solution of these problems will contribute to the improvement of yield, products quality and die life for AA7N01 profiles.

                          The purpose of this work is to numerically and experimentally study the extrusion process of an AA7N01 beam profile used in high-speed train. Firstly, the mechanics parameters and thereto-physical parameters of AA7N01 ingot are obtained.

                          And the Arrhenius constitutive model to describe the deforming behavior of AA7N01 at elevated temperature is determined by the inverse analysis method. Secondly, the transient simulation of AA7N01 beam profile extrusion is carried out and verified by practical extrusion to investigate the material flow behavior during an entire extrusion cycle. Thirdly, the influences of extrusion process parameters on the product quality, extrusion load and the maximum stress of extrusion die are studied. Finally, the extrusion die structure is optimized using the response surface method and morphing technique. The main research content and results of this work are as follows:

                          (1) The mechanics parameters and thereto-physical parameters of AA7N01 are obtained experimentally. The force-displacement curves under different temperatures and strain rates of AA7N01 are obtained by hot compression tests. Then the material parameters of Arrhenius constitutive model of AA7N01 are determined with the inverse analysis method.

                          (2) Based on HyperXtrude software, the transient numerical simulation of AA7N01 beam profile extrusion is carried out to investigate the material flow and thermal behavior. The practice extrusion process is also realized in the workshop. The nose-end shape of the extrusion profile, the evolution curve of exit temperature and of extrusion load by FE simulation shows excellent agreements with experimental observation, which shows the accuracy of the constitutive model and numerical model.

                          (3) By using Taguchi's method, the influences of billet diameter, ram speed, die temperature, billet preheated temperature and container temperature on the uniformity of metal flow, extrusion load and the maximum stress of extrusion die are studied. And the optimal process parameters are determined.

                          (4) The response surface method is adopted to optimize the outline and height dimensions of pocket structure. Then by combining the morphing technique, simulation and optimization algorithm, the outline dimensions of pocket structure are further optimized.

                          Keywords:  AA7N01;Aluminum  profile  extrusion;  Reverse  analysis  method; Extrusion die; Numerical simulation; Optimization design

                          近年來,環境污染問題日益嚴重,節能減排、綠色制造成為當務之急。而目前實現節能減排的有效手段之一就是實現汽車、軌道列車、地鐵、捏軌等交通運輸工具的輕量化。尤其是現階段我國髙速列車發展迅猛,速度等級不斷提升,因此實現車體輕量化在列車開發及制造領域具有十分重要的意義。

                          鉛合金具有重量輕、強度髙、導電導熱性好、耐腐蝕、外形美觀、易回收等優點,是目前我國髙速列車制造的主體結構材料。窩速列車的車頂及側墻結構主要采用6XXX大型薄壁中空雙表面鉛型材,底架結構主要采用7XXX錯型材。

                          7N01鉛合金是日本開發的一種Al-Zn-Mg系錯合金W,具有髙強度、優良的擠壓性能和焊接性能,宜做承重較大的結構件,是目前我國髙速列車牽引梁、橫梁等的關鍵結構材料。然而目前國內外有關鉛型材擠壓過程的研究大多針對6XXX鉛合金材料,7XXX鉛合金相關的研究相對較少,在7N01錯型材擠壓流動行為、工藝制定和模具設計方面還存在一系列問題:文獻中有關7N01鉛合金材料熱流變行為的研巧較少,因此缺乏準確描述7N01侶合金力學性能、熱物理性能及本構模型的數據;與常用的6XXX鉛合金相化,7N01鉛合金屬于商強硬質鉛合金,材料流動性差,且易出現焊合不良、轟粒粗大及組織分布不均等問題,導致擠壓生產工藝控制的難度更大,型材質量、模具壽命、生產成本及效率等都難W得到保證。因此,7N01錯型材擠壓模具設計、工藝制定、產品質量控制等關鍵問題迫切需要科學的開發手段。而科學的擠壓工藝和模具設計方法來源于對劇烈大變形擠壓過程中的材料變形機理、本構關系、流動規律、工藝模具參數的影響規律等科學問題的深刻認識和掌握。因此,本文通過研究7N01鉛合金材料的流變行為、擠壓過程中材料流動規律W及王芝模具參數的影響規律等,為7N01鉛型材擠壓工藝的制定和模具結構的科學設計提供理論支撐。

                          準確的材料性能參數及合理的材料本構模型是對錯合金型材擠壓過程進行數值模擬的前提和關鍵。在7N01鉛合金的材料性能方面,王強等人W通過實驗1獲得了7N01擠壓態鉛合金的力學性能及熱物理性能參數隨溫度的變化關系。覃超等人P1研究了不同合金元素對A7N01S-T5擠壓態鉛合金的力學性能和斷裂初性的影響。汪之平等人W研究了8種不同成分對7N01鑄態錯合金的力學性能及內部組織的影響。在7N01鉛合金髙溫熱變形行為方面,劉杰等人劉君城等人W及侯君芳等人W都通過熱壓縮實驗研巧了7N01鉛合金在高溫熱變形過程中的力學行為及流變軟化機制,分別采用Arrhenius本構模型來描述7N0I鉛合金的高溫流變行為,并通過傳統的線性擬合方法獲得了各自的模型參數。然而傳統線性擬合方法無法考慮熱壓縮實驗過程中試樣變形的不均勻性及塑性功熱效應的影響,因此無法獲得足夠精確的材料本構模型參數。

                          在7N01鉛合金擠壓成形方面,蔣俊如等人M通過分析不同鑄錠預熱溫度下7N0I鉛型材的顯微結構,研究闡明了7N01鉛型材粗晶的產生機制。并通過合理選擇鑄錠預熱溫度,采用等溫擠壓工藝,較好地解決了7N01鉛型材擠壓的粗晶現象。劉堅等人采用HyperXtrude軟件對一髙速列車承載用7N01鉛合金空也型材擠壓模具強度進行穩態數值分析與實驗驗證,并通過改變分流橋位置與減小擠壓比來改進模具結構,模擬結果表明兩種方法均能有效降低模具的最大應力。

                          目前文獻中針對7N01鉛合金的研究主要集中在型材時效制度及型材焊接接頭強度等方面,在合金材料性能、高溫熱流變行為及型材擠壓成形方面的研究較少,仍極為缺乏對7N01鉛合金擠壓過程的實際指導。

                        高速列車鋁合金橫梁型材擠壓流動規律研究:

                        模具初始設計方案二維圖(單位;毫米)
                        模具初始設計方案二維圖(單位;毫米)

                        模具初始設計方案二維圖
                        模具初始設計方案二維圖

                        模具初始巧i十方案的巧限兒模型
                        模具初始巧i十方案的巧限兒模型

                        模具觀始設計方案的型材出口截面速度分布巖圖
                        模具觀始設計方案的型材出口截面速度分布巖圖

                        模具初始設計方案的型材出口截面變形分布巖圖
                        模具初始設計方案的型材出口截面變形分布巖圖

                        目錄

                          摘要
                          Abstract
                          第一章 緒論
                            1.1 引言
                            1.2 7N01鉛合金的研巧現狀
                            1.3 鉛型材擠壓過程數值模擬的研究現狀
                            1.4 王藝參數對擠壓過程影響規律的研究現狀
                            1.5 嬌壓模具結構優化設計的研究現狀
                            1.6 目前研究存在的主要問題
                            1.7 本文的主要研巧內容
                          第二章 7N01侶合金材料性能研究與本構模型確定
                            2.1 引言
                            2.2 7N01鉛合金的化學成分
                            2.3 7N01錯合金力學和熱物理性能參數的測試
                              2.3.1 力學性能參數的測試
                              2.3.2 熱物理性能參數的測試
                            2.4 7N01鉛合金本構模型的研究
                              2.4.1 材料準備
                              2.4.2 熱壓縮實驗
                              2.4.3 本構模型的提出
                              2.4.4 逆向分析方法獲得7N01侶合金本構模型參數
                            2.5 本章小結
                          第三章 7N01錯合金橫梁型材擠壓熱力稱合行為研究及實驗驗證
                            3.1 引言
                            3.2 HyperXtrude瞬態數值模型的建立
                              3.2.1 幾何模型的建立
                              3.2.2 有限元模型的建立
                            3.3 數值模擬結果分析及實驗驗證
                              3.3.1 擠壓過程中材料流動規律研究
                              3.3.2 擠壓機出口處型材表面溫度變化規律分析
                              3.3.3 型材擠壓所需載荷分析
                              3.3.4 型材微觀組織觀察
                            3.4 本章小結
                          第四章 基于Taguchi方法的擠壓工芝參數影響規律研究
                            4.1 引言
                            4.2 實驗方案的確定
                              4.2.1 評價指標的選取
                              4.2.2 影響因素的選取及因素水平的確定
                              4.2.3 直交表
                            4.3 擠壓工藝參數初始方案的模擬分析
                              4.3.1 穩態流動分析
                              4.3.2 穩態模具強度分析
                            4.4 信噪比和變異數分析
                              4.4.1 VRD的信噪比和變異數分析
                              4.4.2 擠壓力的信噪比和變異數分析
                              4.4.3 模具所受最大應力的信噪比和變異數分析
                            4.5 本章小結
                          第五章 基于響應曲面法和網格變形技術的擠壓模具結構優化設計
                            5.1 引言
                            5.2 模具結構的初始設計方案
                            5.3 基于響應曲面法的導流室尺寸優化設計
                              5.3.1 設計變量和響應的確定
                              5.3.2 Box-Behnken 實驗設計
                              5.3.3 響應曲面模型的建立
                              5.3.4 響應曲面優化及驗證
                            5.4 基于網格變形技術的導流室輪廓尺寸優化設計
                              5.4.1 網格變形技術的簡單介紹
                              5.4.2 借助網格變形技術的優化流程
                              5.4.3 形狀變量的創建
                              5.4.4 響應的創建
                              5.4.5 數學模型的建立
                              5.4.6 優化算法的選擇
                              5.4.7 優化結果的分析
                            5.5 本章小結
                          第六章 結論與展望
                            6.1 結論
                            6.2 展望
                          參考文獻
                          致謝
                          攻讀碩±學位期間完成的論文
                          攻讀碩±學位期間參與的科研項目

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