筒體自動組對、焊接工作站設計【含CAD圖紙、說明書答辯稿】

筒體自動組對、焊接工作站設計【含CAD圖紙、說明書答辯稿】,含CAD圖紙、說明書答辯稿,自動,對于,焊接,工作站,設計,cad,圖紙,說明書,仿單,答辯 本科生畢業(yè)論文（設計）中期報告學院： 工程學院系： 機械系專業(yè)： 機械設計制造及其自動化學號姓名班名論文(設計)題目筒體自動組對、焊接工作站設計（結構件力學計算、建模仿真）簡述開題以來所做的具體工作和取得的進展或成果開題報告之后經(jīng)過去南油合眾公司實習，對筒體組隊與焊接的工藝有了更深一步的理解，對一些簡單的機械結構有了更加深刻的認識，同時了解到過去舊工藝的局限性，深刻的了解到我們?nèi)蝿盏闹匾?。?jīng)過一段時間的學習，更加深刻的掌握了 ANSYS 這門軟件，并且可以進行簡單的網(wǎng)格劃分與受力分析。在隊友的一同協(xié)助下，一同完成了焊接工作站最初方案的確定及結構。存在的具體問題對于需要分析的問題模型無法很好的簡化，網(wǎng)格劃分之后的單元格太多，導致計算速度下降。并且對于一些接觸問題經(jīng)常會出現(xiàn)壓塊直接穿過筒體或者其他一些不收斂的現(xiàn)象。下一步工作 具體 設想 與安排下來的工作主要協(xié)助其他隊友完善方案，并且通過學習與研究網(wǎng)上的案例，了解如何更好的處理非線性問題，尋找處理不收斂現(xiàn)象的方法。并通過更換性能更好的電腦來提高軟件的處理速度。指導教師意見指導教師簽名：年月日本科生畢業(yè)設計任務書設計題目筒體自動組對、焊接工作站設計（結構件力學計算、建模仿真）工程學院(系)機械設計制造及其自動化專業(yè)級學生姓名指導教師 職稱起訖日期地點發(fā)任務書日期： 年 3 月 15 日畢業(yè)設計的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作要求）設臺能夠滿足筒體直徑2m4m、長度 1m2.5m、筒體壁厚 15mm50mm 壓力容器（或臺樁腿）筒體組對焊接時的自動檢測、自動對中、錯邊量強制校圓、自動連續(xù)焊接的工作站。工作站設計內(nèi)容有：1.工作站總體方案設計；2.工作站自動檢測裝置、對中裝置設計；3.工作站校圓裝置設計；4.工作站液壓系統(tǒng)設計；5.工作站結構件力學建模與仿真計算等。本設計的任務是：工作站結構件力學計算、建模仿真。對結構尺寸范圍內(nèi)的組對筒體進行受理分析、彈性和塑形變形計算，以及建模與仿真，以驗證計算的正確性。并且對工作站主要結構件進行力學強度計算、建模與仿真。完成封頭夾緊裝置方案設計本設計內(nèi)容是：1. 工作站總體方案設計；（5 人共同完成）2. 組對筒體受力分析、建模仿真3. 結構件強度和剛度計算，建模與仿真；4. 封頭夾緊裝置方案設計。5. 撰寫設計說明書。設計原始參數(shù)為：1. 可對直徑 2m4m、長度 1m2.5m、筒體壁厚 15mm50mm 壓力容器進行塑形變形校正。2. 最大錯邊量小于 5mm，筒體最大塑性變形量小于 20mm。需要提交的畢業(yè)設計技術資料1.開題報告1 份2.畢業(yè)實習報告、實習日志、實習鑒定3 份3.設計中期進度報告1 份4.工作站總體方案圖（三維圖、動畫）1 張5.組對筒體力學計算、建模與仿真圖1 套6.工作站主要結構件強度剛度計算、建模與仿真1 套7 封頭夾緊裝置裝配圖、非標零件圖1 套8.畢業(yè)設計計算說明書（含英、文設計總說明）1 份9.畢業(yè)答辯 PPT 文稿1 份10.設計資料光盤1 張上述資料必須用計算機繪圖和電子文檔方式來完成，。實物內(nèi)容及要求其 他無參考文獻1. 張建民，機電一體化系統(tǒng)設計北京理工大學出版社：2000.2，2. 杜君文，機械制造技術裝備及其設計天津大學出版社：1999.8，3. 機械設計手冊編寫組機械設計手冊（15 冊）機械工業(yè)出版社：1998.54. 陳明，機械制造工藝學機械工業(yè)出版社：2005.15. 機械制圖手冊編寫組，機械制圖手冊機械工業(yè)出版社：1998.126. 雷天覺，新編液壓工程手冊（上、下冊），北京理工大學，1998.12.畢業(yè)設計進度計劃起訖日期工作內(nèi)容備注第 3 周第 4 周第 5 周第 6 周第 714 周第 15 周第 15 周到南油合眾機電公司實習，全面了解課題要求， 獲取設計的原始資料。根據(jù)開題報告的要求，了解課題，熟悉相關資料，仔細閱讀有關書籍，上網(wǎng)、到圖書館查閱有關資料。到工程訓練中心、機制實驗室實習，全面熟悉課題的實際內(nèi)容，并提出初步設計方案。完成初步設計方案的確定、進行相關計算、元件的選取工作。修訂設計方案，完成機械系統(tǒng)設計。整理資料，撰寫畢業(yè)設計說明書。 參加畢業(yè)答辯。南油設計室圖書館主校區(qū)、主校區(qū)設計室設計室答辯室 畢 業(yè) 實 習 報 告實習單位：院 系：專 業(yè)：班 級：學生姓名：學 號：起止時間：畢業(yè)實習報告為了能適應機械設計制造及其自動化專業(yè)的要求，本人選擇了一線生產(chǎn)工人這個崗位進行實習，并跟車間的師傅、工人學習使用各種不同的機床工具。由于公司距離住所有一些遠，因此每天早上6點起床，坐公交車去上8點鐘的班，晚上5點半下班，有時需要加班至晚上8點半下班。除了法定假期，沒有周末時間。因此，工作還是比較累。春節(jié)假期前的兩個星期，我就已經(jīng)投入到實習崗位的工作上。該公司主要產(chǎn)品有空調(diào)外機箱和電箱總成兩類產(chǎn)品，有時會額外接收噴涂加工訂單。由于第一次接觸鈑金加工的工作，因此對很多機床的使用都比較陌生。剛開始工作的時候，使用的機器是折彎機床。車間的折彎機床有數(shù)控和人工兩類，鑒于本人是實習生，車間主管安排我使用人工折彎機床。剛開始的兩個星期里，折彎機床的調(diào)節(jié)都由車間師傅幫我完成，而我只負責進行機械式的生產(chǎn)。但為了可以更好地融入生產(chǎn)，我經(jīng)常主動向車間師傅學習調(diào)節(jié)折彎機床。實習第三個星期的時候，已經(jīng)掌握了折彎機床的簡單調(diào)節(jié)，并通過自己的調(diào)節(jié)，加工出合格的產(chǎn)品。第二個月，車間主管把我安排至數(shù)控沖壓車間。這個車間是鈑金加工工藝的第一步。幾乎所有的鈑金原材料都要經(jīng)過這一車間的加工。同時，該車間數(shù)控沖壓機床的價值占據(jù)著公司大部分的財產(chǎn)，因此可以說明這個車間在該公司的地位是十分重要的。我在這個車間工作的初期，每天都要搬運厚薄和重量不等的鋼板至數(shù)控沖壓機上。同時要把沖壓完成了鋼板運送至工作臺，并將模型與廢料分離。在分離過程中，要戴上手套，并注意安全。因為鋼板的邊緣以及毛刺很容易劃傷手指。在數(shù)控沖壓車間的實習過程中，我也經(jīng)常主動向組長、同事請教相關的問題，并經(jīng)常與他們溝通交流，了解彼此的工作、日常生活。通過這樣的交流，可以更了解自己的工作性質以及工人們的心理對他們工作的影響。經(jīng)歷了差不多兩個月的實習期磨練，在心智和工作能力上得到了一定的提升。也學習了很多學校里無法接觸的工作技能和人際交往方法。 GDOU-B-11-110 學 生 實 習 日 志環(huán)節(jié)名稱畢業(yè)實習學院（系）工程學院機械工程系專業(yè)名稱機械設計制造及其自動化使用班級學生姓名實習地點起止時間 第 1 天 共 50 天日期 應到人數(shù)1實到人數(shù)1實 習 情 況實習內(nèi)容在已經(jīng)調(diào)節(jié)好的折彎機上，加工材料。實習要求完成一批零件的加工任務完成情況已完成其它需說明的情況無記錄人：指導教師：注：本表按實習的實際需要自行復印填寫，實習結束后裝訂成冊交課程所在學院。集中實習要求學生按實習小組填寫，每組一份；分散實習要求學生每人填寫一份。第 10 天 共 50 天日期 2015年01月22日應到人數(shù)1實到人數(shù)1實 習 情 況實習內(nèi)容在已經(jīng)調(diào)節(jié)好的折彎機上，加工材料；使用手推液壓叉車搬運貨物。實習要求加工多批零件；把貨物整齊地擺放至半成品或倉庫區(qū)。任務完成情況已完成其它需說明的情況無記錄人：指導教師：注：本表按實習的實際需要自行復印填寫，實習結束后裝訂成冊交課程所在學院。集中實習要求學生按實習小組填寫，每組一份；分散實習要求學生每人填寫一份。第 13 天 共 50 天日期 2015年1月25日應到人數(shù)1實到人數(shù)1實 習 情 況實習內(nèi)容春節(jié)假期前打掃、整理車間。實習要求車間地板要打掃干凈各種機床要進行保養(yǎng)維護整理擺放好車間的工具任務完成情況已完成其它需說明的情況無記錄人：指導教師：注：本表按實習的實際需要自行復印填寫，實習結束后裝訂成冊交課程所在學院。集中實習要求學生按實習小組填寫，每組一份；分散實習要求學生每人填寫一份。第 14 天 共 50 天日期 2015年2月7日應到人數(shù)1實到人數(shù)1實 習 情 況實習內(nèi)容學習調(diào)節(jié)折彎機的基本參數(shù)實習要求學會調(diào)節(jié)折彎機的基本參數(shù)任務完成情況已完成其它需說明的情況無記錄人：指導教師：注：本表按實習的實際需要自行復印填寫，實習結束后裝訂成冊交課程所在學院。集中實習要求學生按實習小組填寫，每組一份；分散實習要求學生每人填寫一份。第 20 天 共 50 天日期 2015年2月13日應到人數(shù)1實到人數(shù)1實 習 情 況實習內(nèi)容調(diào)派崗位至數(shù)控沖壓組實習要求取下經(jīng)過數(shù)控沖壓成型的鋼板模型材料任務完成情況已完成其它需說明的情況無記錄人：指導教師：注：本表按實習的實際需要自行復印填寫，實習結束后裝訂成冊交課程所在學院。集中實習要求學生按實習小組填寫，每組一份；分散實習要求學生每人填寫一份。第 30 天 共 50 天日期 2015年2月23日應到人數(shù)1實到人數(shù)1實 習 情 況實習內(nèi)容在數(shù)控沖壓組搬運鋼板實習要求搬運鋼板至數(shù)控沖壓機，并進行定位夾緊。任務完成情況已完成其它需說明的情況無記錄人：指導教師：注：本表按實習的實際需要自行復印填寫，實習結束后裝訂成冊交課程所在學院。集中實習要求學生按實習小組填寫，每組一份；分散實習要求學生每人填寫一份第 40 天 共 50 天日期 2014年3月5日應到人數(shù)1實到人數(shù)1實 習 情 況實習內(nèi)容簡單操作數(shù)控機床實習要求學會啟動、停止、調(diào)節(jié)數(shù)控沖壓機床的基本參數(shù)任務完成情況已完成其它需說明的情況無記錄人：指導教師：注：本表按實習的實際需要自行復印填寫，實習結束后裝訂成冊交課程所在學院。集中實習要求學生按實習小組填寫，每組一份；分散實習要求學生每人填寫一份。第 50 天 共 50 天日期 2015年3月15日應到人數(shù)1實到人數(shù)1實 習 情 況實習內(nèi)容使用鉆床打孔以及攻絲實習要求完成大批量產(chǎn)品的打孔以及攻絲加工任務完成情況已完成其它需說明的情況無記錄人：指導教師：注：本表按實習的實際需要自行復印填寫，實習結束后裝訂成冊交課程所在學院。集中實習要求學生按實習小組填寫，每組一份；分散實習要求學生每人填寫一份。實 習 鑒 定 表姓名 學號專業(yè)機械設計制造及其自動化課程名稱畢業(yè)實習起止時間2015年1月13日至2015年3月15日形式集中 分散實習內(nèi)容跟工廠不同的車間師傅，學習使用各種機械設備。如，臺式鉆床、折彎機、數(shù)控轉塔沖床、沖壓機，并參與到實際生產(chǎn)中。自我鑒定通過努力工作和學習，技術能力得到一定的提升.學生本人簽名： 2015年3 月15日實習單位鑒定意見負責人簽名： 單位公章： 年 月 日備注學生用表 1 本科生畢業(yè)論文（設計）開題報告學院： 工程學院系： 機械系專業(yè)： 機械設計制造及其自動化學號 姓名 班名 畢業(yè)論文（設計）題目筒體自動組對、焊接工作站設計（結構件力學計算、建模仿真）指導教師 所在單位、部門職稱教授一、研究的目的和意義合眾公司壓力容器制造筒體組對工藝從 70 年代沿用至今，所用的工藝比較落后，同時容易對容器筒體造成機械損傷，造成其表面的應力集中而影響設備的安全性、可靠性以及其使用壽命。故急需研制壓力容器筒體自動組對焊接工作站，實現(xiàn)壓力容器制作筒體組對焊接自動化，提高生產(chǎn)效率，改善工作環(huán)境。本次研究使用有限元對圓筒直徑，厚度錯邊量及所需的集中力進行了理論分析，從分析數(shù)據(jù)中得到最佳的壓力值，并選擇合適的液壓缸作為后續(xù)設計的基本參數(shù)；并針對實際生產(chǎn)中常出現(xiàn)的雞胸問題經(jīng)行深入分析，確定自動組對焊接工作站在實際生產(chǎn)中的工作能力。二、國內(nèi)外研究（設計）發(fā)展狀況、發(fā)展水平與存在問題國際上早在 60 年代就開始投入大量的人力與物力開發(fā)有限元分析程序，但在近 15 年以來，CAE 軟件才以比較快的速度發(fā)展起來。現(xiàn)代的CAE 軟件相對以前無論是在功能、性能、用戶界面和前、后處理能力，都進行了很大的改進與擴充。特別是近年來計算機技術的普及和計算速度的不斷提高，有限元分析在工程設計和分析中得到了越來越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復雜工程問題的有效途徑。有限元分析在國外已經(jīng)有一套完整的理論知識，在實際工程之中已經(jīng)被大量的運用。當今的有限元分析理論已經(jīng)比較成熟，能更好的與其他的三維軟件結合，更好的實現(xiàn)建模的便利性，實現(xiàn)真正無縫的雙向數(shù)據(jù)交換。更加強大的處理非線性問題的能力也給現(xiàn)在的工程類問題帶來了便利，能更加方便的處理以往在工程之中較難處理的各種問題。由于國內(nèi)ANSYS 引入的時間不長，特別是新版本的 WORBENCH，所以很多實際問題找不到解決方法。國內(nèi)資料也比較少，學習難度較大。國內(nèi)涉及有限元分析的大多是線性問題，比如某些零部件的強度校核，應力與應變的分析等，但對于這種接觸問題的討論與分析卻很少，大大的加大了學習的難度。三、研究（設計）主要內(nèi)容、預期目標及擬解決的關鍵問題這次的研究的主要內(nèi)容是筒體受到多少集中力才會出現(xiàn)預期的塑形變形，并且研究塑形變形與筒體壁厚與直徑之間的關系。理論上講，通過模型簡化，有限元分析及其后處理之后即可得到相應的數(shù)據(jù)。但是該變形不是常見的彈性變形，而是較為復雜的塑形變形，在分析的過程中，涉及到一些接觸問題， 而非單獨一個零件的分析。四、研究（設計）方案與技術路線本課題采用ANSYS WORKBENCH 作為主要的分析軟件。為了更加準確的計算出需要的結果，我采用有限元分析的一般方法還有思路:1. 簡化并建立有限元模型3學號姓名班名畢業(yè)論文（設計）題目筒體自動組對、焊接工作站設計（結構件力學計算、建模仿真）指導教師所在單位、部門職稱教授由于原始模型過于復雜，如果直接用于有限元分析的話，會浪費大量的時間，甚至有可能解不出， 但是如果模型過分的簡化又可能會導致結果的不準確，所以在簡化模型的時候需要保留主要的一些尺寸與結構，簡化不需要的（比如倒角或者其他加強部分）.2. 定義材料的類型，屬性及應力-應變曲線。由于合眾公司選用的筒體的材料為Q345，在 ANSYS WORKBENCH 的材料庫之中沒有材料Q345， 所以只能通過網(wǎng)上資料獲取 Q345 的材料屬性及其應力-應變曲線。從而作為分析的依據(jù)。3. 劃分網(wǎng)格網(wǎng)格的質量與數(shù)量直接影響到分析結果的準確性與可靠性，作為ANSYS WORKBENCH 的初學者， 正確的把握這種網(wǎng)格劃分方式，并且正確的選擇哪種網(wǎng)格劃分方式不僅能大大的減少計算時間，還能增加運算的準確性。4. 添加接觸關系由于本次研究不是單個物體，而是多個物體的組合，所以需要正確的確定各個零件間的接觸關系。5. 定義邊界條件，加載載荷由于ANSYS WORBENCH 中各種邊界條件與加載方式的算法有所區(qū)別，不同的邊界條件與加載方式會出現(xiàn)不同的結果，所以正確的理解各種邊界條件的區(qū)別與運用，能獲得準確的結果。6. 得出結果，分析數(shù)據(jù)的合理性結果運算出來之后，需要對分析出來的動畫結果進行分析，如果與生活常識不相符，則分析過程中可能存在某些錯誤，需要從新進行分析。由于本次研究設計塑形變形內(nèi)容，不屬于大學期間接觸的課程，所以對于結果的準確性只能通過與合眾公司的經(jīng)驗數(shù)值進行比較，分析數(shù)據(jù)的準確性。五、參考文獻1 M.M. Topac,H. Gunal,N.S. Kuralay.Fatigue failure prediction of arear axle housing prototype by using f inite element analysis J.Engineering Failure Analysis 16(2009) 1474-14822 王慶五 左昉 胡仁喜 主編，ANSYS 15.0 機械設計高級應用實例（第 2 版） 機械工業(yè)出版社3 邵蘊秋 編著. ANSYS15.0 有限元分析實例導航 中國鐵道出版社工作計劃進程表時間工 作 內(nèi) 容第 3 周到南油合眾機電公司實習，全面了解課題要求，獲取設計的原始資料。根據(jù)開題報告的要求，了解課題，熟悉相關資料，仔細閱讀有關書籍，上網(wǎng)、到圖書館查閱有關資料。到工程訓練中心、機制實驗室實習，全面熟悉課題的實際內(nèi)容并提出初步設計方案。完成初步設計方案的確定、進行相關計算、元件的選取工作。修訂設計方案，完成機械系統(tǒng)設計。整理資料，撰寫畢業(yè)設計說明書。 參加畢業(yè)答辯。第 4 周第 5 周第 6 周第 714 周第 15 周第 15 周選題是否合適： 是 否 方案是否可行： 是 否 進程是否合理： 是 否 任務能否完成： 能不能選題是否合適： 是 否 方案是否可行： 是 否 進程是否合理： 是 否 任務能否完成： 能不能指導教師（簽字）年月日指導小組組長（簽字）年月日，筒體自動組對、焊接工作站設計 （結構件力學計算、建模仿真）,指導老師：,研究的背景,隨著社會的進步，我國的工業(yè)水平真處于高速發(fā)展的狀態(tài)，人們對石油，天然氣的需求也在飛速的上升。 公司及其下屬鋼管生產(chǎn)廠家鎖使用的技術比較落后，所能卷制的鋼管長度一般只有2.5米，故在生產(chǎn)較長的鋼管時，需要生產(chǎn)多節(jié)2.5米鋼管，再將這些鋼管組對起來經(jīng)行焊接，再輸出生產(chǎn)車間。整個組對工作在車間里均由工人手工操作，誤差檢測也是由工人拉鋼絲線加上鋼尺配合測量或者直接目測，因此整體效率低下，產(chǎn)品質量也較差，生產(chǎn)的工藝沒法得到很好的保障。,新舊工藝對比,1.舊工藝,吊裝,強制校圓,2.新工藝,課題背景,1.由于公司的筒體規(guī)格眾多，在實際生產(chǎn)之中，工人師傅只是用機械強校圓，對于應對不同的筒體所需的壓力是多少這個問題，工人師傅沒法提供。所以急需用模擬仿真的方法求出所需的集中力作為設計參數(shù)。,2.筒體最后焊接的一部分封頭無法用平板車進行固定，所以需要設計特殊的裝置經(jīng)行夾緊固定。,ANSYS模擬仿真,初始數(shù)據(jù),單邊錯邊量最小不超過5mm，故選取直徑1000mm，1200mm，1400mm，1600mm，2000mm，3000mm，4000mm作為仿真對象進行仿真。液壓缸初選16MPa，40t壓力作為初始參數(shù)。壁厚選取20mm，32mm，50mm。,ANSYS模擬仿真,Q345應力-應變關系表（非線性）,ANSYS模擬仿真,ANSYS模擬仿真,ANSYS模擬仿真,ANSYS模擬仿真,壁厚為20mm,壁厚為32mm,壁厚為50mm,內(nèi)漲芯數(shù)據(jù),ANSYS模擬仿真,外立柱數(shù)據(jù),壁厚為20mm,壁厚為50mm,壁厚為32mm,ANSYS模擬仿真,對于直徑1000mm，厚度為50mm的筒體，單邊位移隨壓力的變化如下：,ANSYS模擬仿真,結論：,1.在40t的壓力下，內(nèi)漲芯對圓筒常用尺寸有足夠的處理能力；但對于直徑較小，厚度較大的圓筒，則需要用外壓的方式處理。 2.在35t的壓力下，外立柱對圓筒常用尺寸有足夠的處理能力；但對于直徑嬌小，厚度較大的圓筒，則需要用到備用液壓缸。 故選取16MPa，壓力40t的液壓缸作為內(nèi)漲芯的設計參數(shù)；16MPa，壓力35t的液壓缸作為外立柱的設計參數(shù)。并且選取16MPa，壓力60t的液壓缸作為備用缸。,ANSYS模擬仿真,內(nèi)漲芯對雞胸問題的處理能力,什么是雞胸問題,ANSYS模擬仿真,情況一：,ANSYS模擬仿真,位移圖,應力圖,對于情況一，分析上面變形的情況下，下面是否會有太大變形。圓筒的直徑為1000mm的圓筒，壁厚20mm,ANSYS模擬仿真,ANSYS模擬仿真,情況二：,ANSYS模擬仿真,對于情況二，中間的推桿會發(fā)生低頭，且筒體后面與支撐爪接觸的地方可能會變形。,ANSYS模擬仿真,下壓塊位移云圖,下壓塊位移云圖,ANSYS模擬仿真,中間推塊位移云圖,ANSYS模擬仿真,ANSYS模擬仿真,應力小于345MPa，屬于彈性變形,ANSYS模擬仿真,結論：,在兩種情況下，內(nèi)漲芯都修復雞胸問題，且對筒體的其他部分影響不大。,機械部分設計,機械部分設計,機械部分設計,機械部分設計,機械部分設計,謝謝,筒體自動組對、焊接工作站設計 （結構件力學計算、建模仿真） Pressure vessel tube auto group and welding workstation design (mechanical calculation, modeling and simulation) 學生姓名 所在學院 所在專業(yè) 申請學位 指導教師 副 指 導 教 師 答辯時間 目 錄 目 錄 摘 要 .I ABSTRACT .II 1 緒論 .1 1.1 項目來源、背景及目的 .1 1.1.1 項目來源 .1 1.1.2 項目背景 .1 1.1.3 項目目的和意義 .4 1.2 研究的內(nèi)容與擬解決問題 .5 1.2.1 研究的基本內(nèi)容： .5 1.2.2 擬解決的主要問題： .5 1.2.3 研究方法與技術路線： .6 2 有限元基礎理論與 ANSYS 應用 .7 2.1 有限元法及 ANSYS 介紹 .7 2.1.1 發(fā)展與現(xiàn)狀 .8 2.2 有限元分析的基本思路 .8 3 圓筒及壓塊的模型的建立 .9 3.1 內(nèi)漲過程中錯邊量與直徑，壁厚，壓力之間的關系。 .9 3.1.1 問題描述 .9 3.1.2 有限元解 .10 3.2 外壓過程中錯邊量與直徑，壁厚，壓力之間的關系。 .14 3.2.1 問題描述 .14 3.2.2 有限元解 .15 3.3 內(nèi)漲心處理雞胸問題的能力 .19 3.3.1 問題描述 .19 3.3.2 針對情況一進行的有限元分析 .22 3.3.3 針對情況二進行的有限元分析 .25 4 總結 .33 鳴 謝 .34 參考文獻 .35 摘 要 I 摘 要 壓力容器制造筒體組對工藝從 70 年代沿用至今，所用的工藝比較落后，同時容易 對容器筒體造成機械損傷，造成其表面的應力集中而影響設備的安全性、可靠性以及 其使用壽命。故急需研制壓力容器筒體自動組對焊接工作站，實現(xiàn)壓力容器制作筒體 組對焊接自動化，提高生產(chǎn)效率，改善工作環(huán)境。 本文使用有限元對圓筒直徑，厚度錯邊量及所需的集中力進行了理論分析，從分 析數(shù)據(jù)中得到最佳的壓力值，并選擇合適的液壓缸作為后續(xù)設計的基本參數(shù)；并針對 實際生產(chǎn)中常出現(xiàn)的雞胸問題經(jīng)行深入分析，確定自動組對焊接工作站在實際生產(chǎn)中 的工作能力。 關鍵詞：壓力容器；焊接；ANSYS；非線性。 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. 1 筒體自動組對、焊接工作站設計 （結構件力學計算、建模仿真） 1 緒論 1.1 項目來源、背景及目的 1.1.1 項目來源 隨著社會的進步，我國的工業(yè)水平真處于高速發(fā)展的狀態(tài)，人們對石油，天然氣 的需求也在飛速的上升。今后 1015 年,全球總能源消耗將比現(xiàn)在增加 60%左右,其中天 然氣消耗將翻一番 1,2。而油氣的需求者主要在工業(yè)較發(fā)達的工業(yè)城市地區(qū),油氣田則 大部分分布在極地、荒漠、海洋等偏遠地帶 3。海洋的石油一般都藏在海洋的深處， 這就意味著需要有一種經(jīng)濟、安全并且不間斷的長距離輸送工具來輸送石油，而這種 工具就是石油運輸管道。這也使得油氣輸送管道在近 40 年得到了巨大的發(fā)展,這種發(fā) 展勢頭在未來的幾十年中仍將持續(xù)下去 4。 壓力容器，是指能承載一定壓力或者盛放易燃易爆品的設備要求能承載一定的壓 力。 深海采油的工具主要是壓力容器，但由于國內(nèi)鋼管廠家技術水平與設備比較落后， 許多廠家只能卷制比較短的鋼管，或者所選用的鋼板一般比較短。以為例，公司能加 工長度不超過 2.5 米的壓力容器，但用于深海采油的壓力容器一般長度較長，故在制 造壓力容器時，往往是通過多節(jié)焊接的方式來實現(xiàn)。許多資料顯示，影響壓力容器質 量的不僅是不僅鋼的化學成分、力學性能、冶金質量等的好壞影響著鋼管的使用壽命, 而且鋼管的尺寸精度對鋼管的使用壽命也有著重要的影響 5。 1.1.2 項目背景 及其下屬鋼管生產(chǎn)廠家鎖使用的技術比較落后，所能卷制的鋼管長度一般只有 2.5 米，故在生產(chǎn)較長的鋼管時，需要生產(chǎn)多節(jié) 2.5 米鋼管，再將這些鋼管組對起來經(jīng) 行焊接，再輸出生產(chǎn)車間。整個組對工作在車間里均由工人手工操作，誤差檢測也是 由工人拉鋼絲線加上鋼尺配合測量或者直接目測，因此整體效率低下，產(chǎn)品質量也較 差，生產(chǎn)的工藝沒法得到很好的保障。 壓力容器制作的工序有以下幾步驟：鋼板下料-檢驗-鋼板切割-鋼板卷制成單 節(jié)筒體-單節(jié)筒體焊接-單節(jié)筒體校園（必要時）-單節(jié)筒體埋弧焊-筒體與筒體之 間組對-筒體之間環(huán)縫焊接-封頭與筒體之間組對-封頭與筒體之間環(huán)縫焊接-整體 2 組對。由于各個筒體卷制之后會存在一定的尺寸偏差，所以筒體與筒體之間組對之前 需要克服錯變量與筒體變形。由于技術的落后，依舊采用的傳統(tǒng)的筒體組對方法-強 制變形的方法即在有錯邊的位置焊接輔助工具，用楔子強迫組對區(qū)域平整后點焊的 方法。圖 1-1圖 1-6. 圖 1-1 筒體組對時候焊接的輔助工具 圖 1-2 筒體與封頭組對的輔助工具 3 圖 1-3 筒體與筒體組對焊接的輔助工具 圖 1-4 筒體與封頭之間的組對 圖 1-5 最后一道縫的組對，以下面的兩根小管為基準線 4 圖 1-6 自己制作的簡易埋弧焊支架焊接封頭 這種在組對的兩節(jié)筒體上點焊卡具，用楔子敲擊來調(diào)整兩節(jié)筒節(jié)的同心度的方法 不僅會對筒體的表面留下機械損傷，還難以保證各個筒節(jié)的精確對中，因此產(chǎn)生的間 隙、錯邊將對后續(xù)焊接工作帶來一定影響。產(chǎn)生難以消除的錯邊量導致驗收不合格， 并且效率低下，且無法保持很好的橢圓度。從保證設備使用的安全角度出發(fā)，確保筒 體的橢圓度至關重要.因為設備運行時，筒體的橢圓度在內(nèi)壓作用下會引起周向的彎曲 附加引力，對設備的安全使用造成危害，應予以嚴格控制 6-7。 1.1.3 項目目的和意義 鑒于目前鋼管生產(chǎn)車間存在的這些問題，為了實現(xiàn)高效且準確的筒體自動組隊與焊 接，急需改變傳統(tǒng)的舊工藝，應用更加先進的技術來克服加工之中的各種問題實現(xiàn)實 際生產(chǎn)中鋼管就位、對中、自動校圓的自動半自動化，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工操作組隊工 藝，提高生產(chǎn)效率，降低對工人數(shù)量的依賴性顯得十分有必要。 新工藝通過重新設計新的焊接工作站，實現(xiàn)壓力容器的自動對中，矯正以及自動焊 接。如下圖所示，當筒體吊裝到平板小車之后，通過小車的左右移動基本找正筒體的 軸線，對接筒體。如果筒體軸線找正之后邊緣存在部分不平整，則通過內(nèi)漲芯的內(nèi)頂 以及外立柱的外壓對筒體的圓度進行矯正，待筒體的外形矯正之后，將由工人對筒體 的外部經(jīng)行點焊。點焊完成之后，平板車上的滾輪架的滾輪會自動轉動，帶動筒體一 起轉動，同時筒體上面的焊槍開啟，進入自動焊接階段。 5 圖 1-7 工作站總體圖 1.2 研究的內(nèi)容與擬解決問題 1.2.1 研究的基本內(nèi)容： 生產(chǎn)的壓力容器的長度為最大為 2.5 米，直徑 14 米，壁厚為 2050 毫米。整個 生產(chǎn)的筒體規(guī)格跨度很大，有由于生產(chǎn)期間工人師傅對壓力沒有一個深刻的認識，故 沒法知道設計之初外壓及內(nèi)漲所需要的壓力是多少。外壓與內(nèi)漲的壓力大小對后期液 壓缸的選取以及設計有非常重要的意義，對于這種獲取該數(shù)據(jù)的方法一般有：1.進行 實驗，得出滿意的結果。無疑這種方法能得到最準確的結果，但由于實際的生產(chǎn)中的 壓力容器規(guī)格繁多，并且實驗具有破壞性且周期太長，故該種方法不適用。2.用理論 方法進行分析，由于該研究涉及到的是塑形變形的內(nèi)容，有關塑形變形的計算在大學 沒有涉及，且難度較大，故該種辦法也不適用。3.有有限元軟件進行分析，有限元軟 件，特別是 ANSYS WORKBENCH 學習難度較小，比較容易把握，對基礎要求不高，且能 快速準確的的出計算的結果，在國內(nèi)外均有較多人在工程問題使用，是處理該問題的 最佳選擇。 由于生產(chǎn)工藝低下，在實際生產(chǎn)中筒體的邊緣常有不規(guī)律的部分突起，這種突起常 出現(xiàn)在縱向焊接的焊縫處，生產(chǎn)之中稱之為雞胸問題。這種現(xiàn)象嚴重的影響著筒體的 圓度與筒體焊接時的錯邊量，可能導致驗收不合格。內(nèi)漲心對雞胸問題的矯正能力及 內(nèi)漲芯在矯正的過程之中強度是否能達到要求，也是問題分析的重點與難點。 1.2.2 擬解決的主要問題： 自動組對焊接工作站能否順利的完成組隊任務，其關鍵在于組對的過程之中能否有 6 效的控制筒體的錯邊量。由于圓筒的尺寸規(guī)格比較多，應對不同的尺寸規(guī)格的圓筒所 需要的力不同。使筒體變形所需的力是多大，對于設計之初液壓缸的選定有著及其重 要的意義。如果液壓缸的壓力選擇太大，則整個機構結構會太大，且費用也大大的提 高；如果液壓缸的壓力太小，則組對的效果會不明顯，且無法完成任務。故需分析出 最合理的理論值作為后續(xù)的設計參數(shù)，這樣既能避免浪費，又能保證達到工作要求。 在 ANSYS 軟件中對筒體的受力進行分析，主要要克服以下問題： 1.圓筒的材料是 Q345，形狀為圓筒，不能簡單的用材料力學的模型來進行分析， 且本次分析希望圓筒達到塑性變形，而非彈性變形。當塑性變形是，胡克定律會失效。 在學習的課程之中，沒有接觸材料非線性的理論知識。 2.圓筒與壓塊間的接觸是粗糙接觸，屬于典型的非線性接觸，需要用到很多非線性 接觸的理論知識，例如罰函數(shù)，拉格朗日乘子等。國內(nèi)關于 ANSYS 非線性接觸的文獻 較少，大大的增加了設計的難度。 當內(nèi)漲心處理雞胸問題是，下邊的壓塊可能會接觸圓筒的下表面，造成不必要的塑 性變形且壓塊中間的推桿會被擠壓，產(chǎn)生一定的變形（低頭問題） 。假如中間的推塊不 發(fā)生“低頭”則所有的反作用力將有圓筒的后面三個支撐爪承受，可能會壓壞圓筒， 故需對這兩種情況進行分析，保證實際生產(chǎn)中內(nèi)漲心的正常使用。 1.2.3 研究方法與技術路線： 本課題采用 ANSYS WORKBENCH 作為主要的分析軟件。 為了更加準確的計算出需要的結果，我采用有限元分析的一般方法還有思路: 1. 簡化并建立有限元模型 由于原始模型過于復雜，如果直接用于有限元分析的話，會浪費大量的時間，甚至有 可能解不出，但是如果模型過分的簡化又可能會導致結果的不準確，所以在簡化模型 的時候需要保留主要的一些尺寸與結構，簡化不需要的（比如倒角或者其他加強部分） . 2. 定義材料的類型，屬性及應力-應變曲線。 由于選用的筒體的材料為 Q345，在 ANSYS WORKBENCH 的材料庫之中沒有材料 Q345，所 以只能通過網(wǎng)上資料獲取 Q345 的材料屬性及其應力-應變曲線。從而作為分析的依據(jù)。 3劃分網(wǎng)格 網(wǎng)格的質量與數(shù)量直接影響到分析結果的準確性與可靠性，作為 ANSYS WORKBENCH 的 初學者，正確的把握這種網(wǎng)格劃分方式，并且正確的選擇哪種網(wǎng)格劃分方式不僅能大 大的減少計算時間，還能增加運算的準確性。 7 4.添加接觸關系 由于本次研究不是單個物體，而是多個物體的組合，所以需要正確的確定各個零件間 的接觸關系。 5.定義邊界條件，加載載荷 由于 ANSYS WORBENCH 中各種邊界條件與加載方式的算法有所區(qū)別，不同的邊界條件與 加載方式會出現(xiàn)不同的結果，所以正確的理解各種邊界條件的區(qū)別與運用，能獲得準 確的結果。 6.得出結果，分析數(shù)據(jù)的合理性 結果運算出來之后，需要對分析出來的動畫結果進行分析，如果與生活常識不相符， 則分析過程中可能存在某些錯誤，需要從新進行分析。由于本次研究設計塑形變形內(nèi) 容，不屬于大學期間接觸的課程，所以對于結果的準確性只能通過與的經(jīng)驗數(shù)值進行 比較，分析數(shù)據(jù)的準確性。 2 有限元基礎理論與 ANSYS 應用 2.1 有限元法及 ANSYS 介紹 有限元法是一種離散化的數(shù)值解法,是用于求解各類實際工程問題的方法。應力分 析中穩(wěn)態(tài)的、瞬態(tài)的、線性的、非線性的問題及熱力學、流體力學、電磁學以及高速 沖擊動力學問題都可以通過有限元法得到解決 8 。 有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）利用的是數(shù)學近似的方法對真實 的物理系統(tǒng)（幾何和載荷情況）進行模擬。還引入簡單而又相互作用的元素的概念， 即單元，來將有限數(shù)量的未知量逼近無限未知量的真值。有限元方法與其他求值方法 的區(qū)別在于它的近似性僅僅用于相小的子區(qū)域中。20 世紀 60 年代初首次提出結構力學 計算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地將其描繪為：“有限元法=Rayleigh Ritz 法+分片函數(shù)” ，即有限元法是 Rayleigh Ritz 法的一種局部化情況。不同于求解 （往往是困難的）滿足整個定義域邊界條件的允許函數(shù)的 Rayleigh Ritz 法，有限元 法將函數(shù)定義在簡單幾何形狀（如二維問題中的三角形或任意四邊形）的單元域上 （分片函數(shù)） ，且不考慮整個定義域的復雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法 的原因之一。 ANSYS 軟件則是美國的 ANSYS 公司研制的大型的一款有限元分析（FEA）軟件，是 世界增長最快的 CAE 軟件，能與許多的 CAD 軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與交換。是一 個多用途的有限元法計算機設計程序，目前，有限元法從它最初應用的固體力學領域， 已經(jīng)推廣到溫度場、流體場、電磁場、聲場等其他連續(xù)介質領域。在固體力學領域， 有限元法不僅可以用于線性靜力分析 9。并且 ANSYS 功能強大，操作簡單，現(xiàn)在已經(jīng) 8 成為國際上最流行的有限元分析軟件之一。也在中國大范圍的使用。 大多數(shù)學者認為，隨著現(xiàn)代機械設計理論的日益發(fā)展與提高，將有限元與機械設 計結合分析已經(jīng)成為必然趨勢，用有限元分析不僅能節(jié)省設計所消耗的工時，設計周 期，還能在進行試驗的過程中選擇分析最佳的方案，優(yōu)化零件形狀，有限元在產(chǎn)品設 計中的優(yōu)越性，必然能成為企業(yè)在市場競爭中的有力工具，并且受到越來越多的工程 技術人員的重視。 2.1.1 發(fā)展與現(xiàn)狀 現(xiàn)在生活節(jié)奏的加快，科學技術日新月異的進步，競爭要求企業(yè)更快地將產(chǎn)品推 向市場。CAE 技術將被集成到整個產(chǎn)品設計過程中，特別是在設計階段，是提高產(chǎn)品性 能的有效手段，加快產(chǎn)品開發(fā)過程。有限元技術，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在數(shù)值算法， 求解器，單元技術，材料方面有很大的發(fā)展，隨著硬件的快速發(fā)展，仿真計算效率更 高，大規(guī)模的問題更加得心應手。今天的有限元模型，30 -50 萬節(jié)點規(guī)模問題已經(jīng)司 空見慣，數(shù)以百萬計的規(guī)模并不奇怪。這意味著 CAE 分析的結果可以更真實。 ANSYS 有限元領域的大型通用程序，以先進的技術和概念的多物理場耦合分析，在 工業(yè)領域和研究方向有廣泛和深入的應用。ANSYS 的結構功能流體， ，熱及電磁耦合分 析。ANSYS 后的 30 年的發(fā)展，典型的 ANSYS 接口已不能滿足多種層次的用戶的大量需 求。因此，ANSYS 建立了一種新的 CAE 仿真平臺 ANSYS Workbench 生成。普通版 11，ANSYS，公司已開發(fā)出 12 版，我相信會很快推出。包括參數(shù)化建模工具 designmodeler ANSYSWorkbench 分析與設計，環(huán)境設計模擬 CAE 分析，優(yōu)化變分技術 DesignXplorer VT 等。ANSYS Workbench 作為新一代的模擬仿真環(huán)境，Windows 風格的 和易于使用的界面優(yōu)化，直接參數(shù)驅動的 CAD 接口，所有常用的 CAD 格式直接讀取， 其易用性，靈活性和強大的功能達到高度分析軟件。 現(xiàn)在 ANSYS 程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分 析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸分析 10,11。 2.2 有限元分析的基本思路 （1）前處理，其任務包括： a 一個幾何模型結構的建立分析。復雜的幾何結構，相關格式可以直接從其他 CAD 軟件讀取。 b 根據(jù)對象和目的，確定了有限元網(wǎng)格劃分方案和裝配方案（連接和位置） ，建立 有限元分析的計算模型。 （2）計算 是形成總剛度方程和約束求解聯(lián)立線性方程的大系統(tǒng)，最后得到節(jié)點 位移。 （3）后處理 是計算機的輸出結果（包括各種力，位移或振幅）經(jīng)行必要的處理， 并以一定的方式（如應力線，變形，振動圖）顯示并打印出對象的分析性能或設計的 9 合理性分析的評估，從而做出相應的改進和優(yōu)化。 3 圓筒及壓塊的模型的建立 3.1 內(nèi)漲過程中錯邊量與直徑，壁厚，壓力之間的關系。 3.1.1 問題描述 內(nèi)漲心的結構如下圖所示： 圖 3-1 內(nèi)漲芯結構 內(nèi)漲芯是通過內(nèi)漲芯尾端的液壓缸推動中間的推桿，推桿推動頂塊分兩級動作： 后面的頂塊支撐整個內(nèi)漲芯；之后前面的頂塊動作，將內(nèi)凹的部分強制校圓。為了保 證校圓工作能順利完成，液壓缸需要提供足夠大的推力，因此我們首先需要分析各系 列筒體在最壞狀態(tài)下能夠完成組對時，所需的推力是多少。液壓缸推力大小主要通過 有限元分析來模擬，采用直接加載的方法來求的液壓缸的推力大小。即直接向筒體施 加一個集中力，得出筒體的變形量。 由圖 3-1 可以看出，內(nèi)漲心是整個設計中零件最多，結構最復雜的部件之一，如 果對內(nèi)漲心直接建立模型進行分析，會耗費大量的時間甚至得不到滿意的解，故需對 模型進行一定的簡化。在實際工作時，內(nèi)漲心只有零件 A 與 B 跟筒體接觸，簡化模型 如下： 10 圖 3-2 內(nèi)漲芯簡化結構 3.1.2 有限元解 3.1.2.1 材料設置 在校正過程中，內(nèi)漲芯的液壓缸通過推動推桿強行將筒體的外圓校圓，在這過程中， 推桿需要使筒體塑形變形。筒體的材料為 Q345，在 ANSYS 的數(shù)據(jù)庫中，沒有非線性材 料的數(shù)據(jù)，同時也沒有 Q345 這種金屬材料，故因先在 ANSYS 的材料庫之中建立新材料。 由網(wǎng)上資料得 Q345 的應力-應變曲線如下所示： 圖 3-3 Q345 應力-應變曲線 并得到數(shù)據(jù)表 3-1 所示： 序號 應力（MPa） 應變(mm) 1 0.0 0.000000 2 345 0.001655 3 345 0.018700 11 4 390 0.030800 5 475 0.058000 6 510 0.108000 表 3-1 Q345 應力-應變關系表 Q345 屬于低合金鋼，彈性模量與泊松比均與普通鋼材一致，在 ANSYS 的材料庫之 中建立材料 Q345，設置密度為 7.85e-6kg mm3，泊松比 0.3 彈性模量 210Gpa，并輸入 上表中的應力應變曲線。得到材料屬性如下圖所示： 圖 3-3 Q345 材料屬性 3.1.2.2 網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格質量的好壞直接影響有限元的分析結果，太少的網(wǎng)格會導致計算結果不正確， 形成較差的網(wǎng)格；過多的網(wǎng)格會減低計算的時間。由于簡化之后的模型形狀比較規(guī)律， 對于規(guī)律的方形或者圓筒進行網(wǎng)格劃分時，一般選用了掃略的網(wǎng)格劃分方法。圓筒的 徑向是受力的主要部分，為了的到更加精確的解，在圓筒的徑向方向添加一個映射網(wǎng) 格劃分，劃分的層數(shù)為 3，得到下面網(wǎng)格： 12 圖 3-4 模型網(wǎng)格劃分 3.1.2.3 接觸及約束 在頂塊加壓過程之中，假設頂塊與圓筒間不發(fā)生相對滑動，由于頂塊能與圓筒分離， 所以圓筒與頂塊之間的接觸為粗糙約束，設定壓塊只沿 Z 軸移動，在 X 軸方向不發(fā)生 相對移動，故在 B 面上添加一個無摩擦約束，限制頂塊 X 方向的自由度。 對于筒體的約束，有兩種情況：1.假如筒體末端固定；2.固定一端頂塊。假如采用 方法一，固定筒體的末端，則應力的大小和位移的大小不僅與集中力的大小有關，還 會隨筒徑與長度的比值而變化。故選擇方法二，固定 A 端，在另一個壓塊的端面上施 加一個集中力 F。 3.1.2.4 后處理 在結果之中添加總應力以及總位移，求解之后得到位移云圖如下： 圖 3-5 后處理云圖 該云圖顯示的運動狀態(tài)與實際生活常識相符合，故將得到的位移除以 2 之后既可以得 到單邊的位移。 3.1.2.5 數(shù)據(jù)處理 給出的設計初始參數(shù)中說明，自動焊接工作站需能處理直徑 1m4m，壁厚 8mm50mm，最大長度 2.5m 的圓筒。最大錯邊量小于 5mm，筒體最大塑性變形量小于 20mm 并且常見的處理數(shù)據(jù)如下所示: 最大直 徑： 3200mm 壁厚： 32mm 筒節(jié)最長 長度： 2500mm 材質： Q345R 最小直 徑： 1000mm 壁厚： 32mm 筒節(jié)最長 長度： 2500mm 材質： Q345R 常用尺 寸： 1400-2000mm 壁厚： 14-20mm 筒節(jié)最長 長度： 2500mm 材質： Q345R 13 表 3-2 設計初始參數(shù) 分析以上的數(shù)據(jù)，最終確定分析筒的壁厚為 20mm、32mm、50mm 的圓筒壓力隨直徑 的變化。 考慮成本問題，液壓缸初選 16MPa，集中力初選 40t，當壁厚為 20mm 時，單邊位移 隨直徑的變化如下： 直徑（mm） 位移（mm） 1000 44.116 1600 240.18 表 3-3 由以上數(shù)據(jù)可以看出，在 40t 的集中力下，內(nèi)漲心能使壁厚 20mm，直徑 1000mm 的 圓筒變化位移 44.116mm，所以說明內(nèi)漲心對壁厚 20mm 的圓筒有一定的處理能力，為了 節(jié)省時間成本，故只計算了兩個比較特殊的直徑。 集中力初選 40t，當壁厚為 32mm 時，單邊位移隨直徑的變化如下： 直徑（mm） 位移（mm） 1000 11.972 1200 16.949 1400 23.952 1600 35.630 1800 48.221 2000 63.14 3000 189.66 4000 439.11 表 3-4 由以上數(shù)據(jù)可以看出，在 40t 的集中力下，內(nèi)漲心能使壁厚 32mm，直徑 1000mm 的 圓筒變化位移 11.972mm，雖然有一定的處理能力，但是效果不明顯。當直徑達到 1400mm 時，處理效果明顯。在實際生產(chǎn)之中，直徑 1000mm 厚度 32mm 這樣的厚壁圓筒 不常見， 當直徑為 1400mm4000mm 時，內(nèi)漲心的處理能力較為明顯。 集中力初選 40t，當壁厚為 50mm 時，單邊位移隨直徑的變化如下： 直徑（mm） 位移（mm） 1000 4.149 1200 4.960 1400 7.118 1600 9.391 1800 11.895 2000 15.655 14 3000 48.708 4000 104.28 表 3-5 由以上數(shù)據(jù)可以看出，在 40t 的集中力下，內(nèi)漲心處理使壁厚 50mm，直徑小于 1800mm 的圓筒時，效果很不明顯。 3.1.2.6 結論 由以上數(shù)據(jù)可以看出，當壁厚小于等于 32mm 時，內(nèi)漲芯能使最難處理的尺寸 直徑為 1000mm 的圓筒的錯邊量變化 11.972mm，符合的要求。但是對于壁厚 50mm，直 徑小于 1400mm 的筒體，內(nèi)漲芯的處理能力無法達到的要求。由于內(nèi)漲心的結構限制， 故處理這種壁厚較大的圓筒時，主要采用外壓的方法。 綜合以上分析，選用壓力 16MPa，壓力 40t 的液壓缸作為內(nèi)漲芯的液壓缸是可行的。 3.2 外壓過程中錯邊量與直徑，壁厚，壓力之間的關系。 3.2.1 問題描述 外立柱的結構如下圖所示： 圖 3-6 外立柱結構 外頂機構主要是通過液壓缸推動壓塊，使壓塊將外凸的部分強制校圓。為了保證 校圓工作能順利完成，液壓缸需要提供足夠大的推力，因此我們首先需要分析各系列 筒體在最壞狀態(tài)下能夠完成組對時，所需的推力是多少。液壓缸推力大小主要通過有 限元分析來模擬，采用直接加載的方法來求的液壓缸的推力大小。即直接向筒體施加 一個集中力，得出筒體的變形量。 由圖 3-7 可以看出，外頂機構的結構復雜，如果對外壓機構直接建立模型進行分 析，會耗費大量的時間甚至得不到滿意的解，并且也沒這個必要。故需對模型進行一 定的簡化。在實際工作時，外頂機構只有零件 A 與 B 跟筒體接觸，簡化模型如下： 15 圖 3-7 外頂機構模型簡化 3.2.2 有限元解 3.2.2.1 材料設置 在校正過程中，我們希望圓筒發(fā)生塑性變形，由于 ANSYA 的材料庫之中沒有 Q345 這種材料，故因先在 ANSYS 的材料庫之中建立新材料。 由網(wǎng)上資料得 Q345 的應力-應變曲線如下所示： 圖 3-8 Q345 應力-應變曲線 并得到數(shù)據(jù)表格如下： 序號 應力（MPa） 應變(mm) 1 0.0 0.000000 2 345 0.001655 3 345 0.001870 4 390 0.030800 5 475 0.058000 6 510 0.108000 16 表 3-6 Q345 應力-應變關系表 在 ANSYS 的材料庫之中建立材料 Q345，設置密度為 7.85e-6kg mm3，泊松比 0.3 彈性模量 210Gpa，并輸入上表中的應力應變曲線。得到材料屬性如下圖所示： 圖 3-9 3.2.2.2 網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格質量的好壞直接影響有限元的分析結果，太少的網(wǎng)格會導致計算結果不正確， 形成較差的網(wǎng)格；過多的網(wǎng)格會減低計算的時間。由于簡化之后的模型形狀比較規(guī)律， 對于規(guī)律的方形或者圓筒進行網(wǎng)格劃分時，一般選用了掃略的網(wǎng)格劃分方法。圓筒的 徑向是受力的主要部分，為了的到更加精確的解，在圓筒的徑向方向添加一個映射網(wǎng) 格劃分，劃分的層數(shù)為 3，得到下面網(wǎng)格： 圖 3-10 外立柱模型網(wǎng)格劃分 3.2.2.3 接觸及約束 在頂塊加壓過程之中，假設頂塊與圓筒間不發(fā)生相對滑動，由于頂塊能與圓筒分離， 所以圓筒與頂塊之間的接觸為粗糙約束，設定壓塊只沿 Z 軸移動，在 X 軸方向不發(fā)生 相對移動，故在 B 面上添加一個無摩擦約束，限制頂塊 X 方向的自由度。 對于筒體的約束，有兩種情況：1.假如筒體末端固定；2.固定一端頂塊。假如采用 17 方法一，固定筒體的末端，則應力的大小和位移的大小不僅與集中力的大小有關，還 會隨筒徑與長度的比值而變化。故選擇方法二，固定 A 端，在另一個壓塊的端面上施 加一個集中力 F。 3.2.2.4 后處理 在結果之中添加總應力以及總位移，求解之后得到位移云圖如下： 圖 3-11 后處理云圖 該云圖顯示的運動狀態(tài)與實際生活常識相符合，故將得到的位移除以 2 之后既可以 得到單邊的位移。 3.2.2.5 數(shù)據(jù)處理 給出的設計初始參數(shù)中說明，自動焊接工作站需能處理直徑 1m4m，壁厚 8mm50mm，最大長度 2.5m 的圓筒。最大錯邊量小于 5mm，筒體最大塑性變形量小于 20mm 并且常見的處理數(shù)據(jù)如下所示: 最大直 徑： 3200mm 壁厚： 32mm 筒節(jié)最長 長度： 2500mm 材質： Q345R 最小直 徑： 1000mm 壁厚： 32mm 筒節(jié)最長 長度： 2500mm 材質： Q345R 常用尺 寸： 1400-2000mm 壁厚： 14-20mm 筒節(jié)最長 長度： 2500mm 材質： Q345R 表 3-7 設計初始參數(shù) 分析以上的數(shù)據(jù)，最終確定分析筒的壁厚為 20mm、32mm、50mm 的圓筒壓力隨直徑 的變化。 考慮成本問題，液壓缸初選 16MPa，集中力初選 35t，當壁厚為 20mm 時，單邊位移 18 隨直徑的變化如下： 直徑（mm） 位移（mm） 1000 59.68 1600 241.62 表 3-8 由以上數(shù)據(jù)可以看出，在 35t 的集中力下，外立柱能使壁厚 20mm，直徑 1000mm 的 圓筒變化位移 59.68mm，所以說明內(nèi)漲心對壁厚 20mm 的圓筒有一定的處理能力，為了 節(jié)省時間成本，故只計算了兩個比較特殊的直徑。 集中力初選 35t，當壁厚為 32mm 時，單邊位移隨直徑的變化如下： 直徑（mm） 位移（mm） 1000 10.763 1200 15.530 1400 20.614 1600 29.891 1800 49.938 2000 65.535 3000 235.731 表 3-9 由以上數(shù)據(jù)可以看出，在 35t 的集中力下，外立柱能使壁厚 32mm，直徑 1000mm 的 圓筒變化位移 10.763mm，雖然有一定的處理能力，但是效果不明顯。當直徑達到 1400mm 時，處理效果明顯。在實際生產(chǎn)之中，直徑 1000mm 厚度 32mm 這樣的厚壁圓筒 不常見， 當直徑為 1400mm4000mm 時，外立柱的處理能力較為明顯。 集中力初選 35t，當壁厚為 50mm 時，單邊位移隨直徑的變化如下： 直徑(mm) 位移(mm) 1000 3.109 1200 4.072 1400 5.755 1600 9.093 1800 11.647 2000 14.751 3000 40.437 4000 101.73 表 3-10 19 3.2.2.6 結論 由以上數(shù)據(jù)可以看出，在 35t 的集中力下，外立柱處理使壁厚 50mm，直徑小于 2000mm 的圓筒時，效果很不明顯。 由于在實際生產(chǎn)之中，50mm 的厚壁圓筒并不常見，故我們提出在外立柱中預留油 口，當需要處理直徑小于 2000mm 且壁厚較厚的圓筒時，換上壓力較大的液壓缸，并在 外立柱上增加橫梁，提高外立柱的剛度。 對于直徑 1000mm，厚度為 50mm 的筒體，單邊位移隨壓力的變化如下： 集中力（t） 位移（mm） 應力（MPa） 35 3.109 278.02 40 3.838 316.24 45 4.344 339.29 50 4.915 343.86 55 5.378 344.78 60 5.846 345.18 65 6.328 345.59 70 6.831 346.74 75 7.358 348.4 80 7.903 350.11 85 8.458 351.82 表 3-11 由于考慮到成本還有體積問題，最終確定選用選用壓力 16MPa，壓力 40t 的液壓缸 作為外立柱的液壓缸是可行的。并且選用 16MPa，壓力 60t 的液壓缸作為備用液壓缸。 3.3 內(nèi)漲心處理雞胸問題的能力 3.3.1 問題描述 在實際生產(chǎn)之中，筒體可能會在橫向焊接處產(chǎn)生一定的凹陷，在實際生產(chǎn)中稱這種 情況為雞胸問題。雞胸問題是實際生產(chǎn)之中難以處理的問題之一，所以需要單獨考慮 內(nèi)漲心對雞胸問題的處理能力。 由于外面的支撐爪帶有浮動的彈簧，如下圖 3-12 所示： 20 圖 3-12 內(nèi)漲芯結構 故當內(nèi)漲心的頂塊接觸到雞胸問題時，有兩種情況： 情況一：反作用力與三個支撐爪中任意一個爪的軸線在同一條直線上，如圖 3-13 所示： 圖 3-13 受力情況一 在這種情況下，中間推桿的軸線會下降，雞胸對應的壓塊會與圓筒的下表面接觸上， 如圖 3-14 所示： 21 圖 3-14 模型簡化一 這種情況下，主要受反作用力的是圓筒的下邊面。 情況二：反作用力的作用線不與任意一根爪的軸線在同一直線上，如圖 3-15 所示： 圖 3-15 受力情況二 在這種情況下，主要受反作用力的是中間的推桿以及支撐爪的后面兩個爪。如圖 3-16 所示： 22 圖 3-16 模型簡化二 3.3.2 針對情況一進行的有限元分析 3.3.2.1 模型簡化 考慮到在壓塊受壓過程中可能會壓壞下邊的圓筒，故將壓塊的外形修改成圖 3-17 所示： 圖 3-17 優(yōu)化后壓塊 建立新的模型，圓筒的直徑為 1000mm 的圓筒，壁厚 20mm，雞胸的錯變量為 20mm。 下面的壓塊邊長為 200*200*200mm，半徑 250mm。 上面的壓塊寬度為 100mm，半徑 150mm。如圖 3-18： 23 圖 3-18 情況一簡化模型 3.3.2.2 接觸與約束 設置兩邊推塊與中間推塊之間的接觸為不分離接觸，壓塊與筒體間的接觸為粗糙約 束，固定圓筒的末端，在中間的滑塊上加一個沿 X 方向-30mm 的位移（折合為單邊錯邊 量為 10mm） ，如圖 3-19： 圖 3-19 3.3.2.3 數(shù)據(jù)分析 當中間推塊的位移達到最大時，雞胸部分與位移為 14.129mm，下邊的位移為 24 7.5537mm 如圖 3-20 所示： 圖 3-20 最大位移云圖 當位移回撤之后，雞胸部分的位移為 9.0149，非雞胸部分的位移為 4.1497，如圖 3-21： 圖 3-21 回撤后云圖 由于實際生產(chǎn)之中，下壓塊接觸的是兩個筒體，所以位移會比以上模擬情況更小。 3.3.2.4 結論 由以上數(shù)據(jù)可以看出，在第一種情況下，對于優(yōu)化之后的壓塊，壓塊使雞胸問題內(nèi) 凹部分的變形大于下邊支撐部分，故內(nèi)漲芯能處理雞胸問題且不會損害圓筒的底部。 25 3.3.3 針對情況二進行的有限元分析 3.3.3.1 模型簡化 建立新的模模型簡化型，圓筒的直徑為 1000mm 的圓筒，壁厚 20mm，雞胸的錯變量 為 20mm。上面的壓塊寬度為 100mm，半徑 150mm,下邊壓塊如圖 3-22 所示： 圖 3-22 優(yōu)化后壓塊 圖 3-23 簡化模型 中間的推桿的圓心與圓筒的圓心重合，上邊推塊與雞胸部分相切，下邊的推塊與筒 26 壁的最小距離為 20mm（與雞胸錯邊量相同。 ） 3.3.3.2 接觸與約束 設置中間推塊與兩邊推塊間的接觸為不可分離接觸，推塊與圓筒間的接觸關系為粗 糙。 在推桿的一段建立一個面如圖 3-24 所示： 圖 3-24 推桿簡圖 在推桿后面的曲面上加一個無摩擦約束（后面一小段只能沿 Z 軸移動與轉動，前面 相當一個懸臂結構） 。 如圖 3-25 所示，固定圓筒的一個端面，在 A 面加一個沿 Z 軸負方向，大小為 60mm 的位移（折合為單邊錯邊量的位移大小為 20mm） 。 圖 3-25 情況二簡圖 加載的位移隨時間的變化如圖 3-26： 27 圖 3-26 位移加載 3.3.3.3 數(shù)據(jù)分析 單獨研究下邊推塊沿 Y 向的位移，如下圖所示： 圖 3-27 下推塊位移云圖 圖 3-28 下推塊位移時間變化表 由數(shù)據(jù)可得，當時間為 0.3S 時，下邊推塊沿 Y 軸的位移最大，大小為-23.051mm， 校正雞胸過程中，上壓塊對筒體的影響僅為 3.051mm。 單獨研究上推塊的沿 Y 方向的位移，如下圖所示： 28 圖 3-29 上推塊位移云圖 圖 3-30 下推塊位移時間變化表 當時間為 0.3S 時，位移達到最大，大小為 16.476mm。 單獨研究中間推塊的沿 Y 方向的位移，如圖 3-31 所示： 圖 3-31 中間推桿位移云圖 29 圖 3-32 中間推塊位移時間變化表 由表可以看出，當時間為 0.25167S 時，中間推塊“低頭”程度達到最大，此時下 推塊的位移剛好為 20mm 左右，因此在 0.25167S 到 0.3S 這段時間，下推塊對中間推塊 起支撐作用。 單獨研究圓筒的應力，如圖 3-33 所示： 圖 3-33 圓筒應力云圖 由圖片可以看出，在 0.3S 時，下邊應力小于 345MPa，故屬于彈性變形。 由上可知，圓筒的下端基本不受力，所以反作用力基本由后面的支撐爪承受，建立 支撐爪模型如下： 30 圖 3-34 支撐爪模型 厚度取 240mm，與前面壓塊的距離為 287mm。如圖 3-35： 圖 3-35 建立支撐爪與圓筒間的接觸為綁定，在 B 面添加一個固定約束，其他條件與上面相 同，如圖 3-36 所示： 31 圖 3-36 支撐塊的約束 單獨研究圓筒的應力，如下圖所示： 圖 3-37 由上圖可知，當時間達到 0.3S 時，下邊的應力最大，此時兩邊應力分別是 220MPa 左右，小于 345MPa，且屬于彈性變形。 所以在支撐塊附近，圓筒不會發(fā)生塑形變形。 32 3.3.3.4 結論 由以上數(shù)據(jù)可知，在第二種情況下，上壓塊使筒體的變形量遠大于下壓塊使筒體的 變形量。且在這種情況之下，支撐塊對筒體產(chǎn)生的應力小于 345MPa，所以不會使筒體 產(chǎn)生塑形變形，即該種方法可行。 33 4 總結 本文針對筒體自動組對焊接工作站的新方案的初始設計參數(shù)進行了模擬與仿真，并 提出實際可行的設計初始參數(shù)。在本文中具體完成了以下工作: 1、提出了鋼管組對機的總體設計方案,針對現(xiàn)階段筒體自動組對焊接工作站的缺點 進行了分析，并提出實際可行的辦法。 2、利用 ANSYS 有限元軟件對筒體受壓情況進行模擬仿真，得出內(nèi)漲及外壓能達到 要求所需的最小集中力，對液壓缸的選擇及設計的初始參數(shù)提供了方向,保證了組對機 工作的可靠性。 3、對內(nèi)漲心處理雞胸問題的兩種情況進行了分析，通過這次的分析可以看出內(nèi)漲 心對雞胸問題的處理能力及是否能克服現(xiàn)實中的一些問題。 通過這次的學習使我在機械原理以及有限元軟件分析上受到了很好的訓練。對于所 學知識，有了一次綜合運用的機會。 學習 ANSYS 的時間較短，加之英文操作界面，使得在 ANSYS 的運用上遇到不少困難。 首先對課題進行研究，認識到這屬于非線性問題。 通過這次畢業(yè)設計，我熟悉了 ANSYS 操作步驟，從定義單元類型到建模到結果分 析，有了明確的思路和整體的認識。 鳴 謝 34 鳴 謝 畢業(yè)論文的收尾也意味著大學四年的學習生涯即將結束。首先感謝我的導師老師 對我大學最后一個學習階段的指導。從最初的方案確定到后期論文定稿張老師都給了 我耐心的指導和無私的幫助，張老師在工作之余放棄自己的休息時間給予我們指導的 無私奉獻精神令我深深的感動，在此我向張老師表示我誠摯的敬意。 同時感謝大學所有的任課老師在這四年來對我的指導與幫助，是他們教會我專業(yè)的 知識與學習的方法，正是因為他們的培養(yǎng)才使我在各方面取得顯著的進步。在此向他 們表示我真摯的謝意并希望所有的老師培養(yǎng)出越來越多的人才。 這次設計也是大學期間所學習到的知識的一次綜合運用，其中涉及到力學知識，材 料學知識與軟件的應用。通過這次的學習是我對過去的知識有了一次總結，讓我更加 完善自己的知識結構。雖然在中途遇到了很多困難與疑惑，但是在老師和同學的指導 和幫助之下，我都一一順利的克服，使得設計在期限內(nèi)按時完成。同時也讓我意識到 自己的不足，了解到今后的道路還需不斷的努力。 最后感謝與我一起做完這次設計的其他四位同學，真是他們的付出還有堅定的信念 才使得這次的設計完美完成。 附 錄 35 參考文獻 l 李鶴林.天然氣輸送鋼管研究與應用中的幾個熱點問題J.中國機械工程. 2001,12(3):349352 頁 2 黃開文.國外高鋼級管線鋼的研究與使用情況J.焊管.2003,26(3):110 頁 3 丁作禮.大直徑直縫焊管生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展J.鞍鋼技術.1996,(2):14 頁 4 李鶴林.油氣輸送鋼管的發(fā)展動向與展望J1.焊管.2004,27(6):111 頁 5 李鶴林,吉玲康,謝麗華.中國石油鋼管的發(fā)展現(xiàn)狀分析J.河北科技大學學報. 2006,27(1):16 頁 6 王志文，蔡仁良. 化工容器設計M.北京: 化學工業(yè)出版社，2005. 7 侯蓮香 .內(nèi)壓力容器筒體的橢圓度控制J. 中國設備工程，2007，( 10) : 3637. 8 龔曙光，黃云清.有限元分析與 ANSYS APDL 編程及高級應用M，北京，機械工 業(yè)出版社，2009 9 邢靜忠. ANSYS 應用實例與分析M. 北京: 科技出版社, 2006. 58. 10 王富恥, 張朝輝. ANSYS10.0 有限元分析理論與工程應用 M. 北京: 電子工業(yè)出 版社, 2006.