60kg/m高精度重轨全万能成品孔研究和万能轧制有限元模拟

摘要

本文结合“十五”国家科技攻关计划的重点项目“高速重载钢材新技术”，对用万能轧机来生产60kg/m高精度重轨进行了研究，为进一步提高重轨的精度提出了将目前普遍应用的半万能成品孔型改进为全万能成品孔型的方法，并借助ANSYS/LS-DYNA软件进行了有限元模拟及分析。 随着我国经济建设的发展，铁路提速的频率越来越快，这就对我国重轨的生产提出了更新更高的要求——生产重轨必须实现高精度轧制，而使用万能轧机来生产高精度重轨已成为必然趋势。 我国传统重轨生产是在轨梁轧机上，由于这种传统孔型法孔型设计不对称，因此加工工艺是非对称的，这就使成品断面的对称性不理想，产品各处尺寸的控制精度也不高。而万能轧制法保证了轧件从粗轨形到成品的变形均匀、对称，减少了重轨的内部畸变，使整个断面均匀变形，从而提高重轨断面尺寸和轧制精度。本次研究专门针对万能轧制法的成品孔型做了分析，对目前万能轧制中普遍应用的半万能成品孔型和在本文中提出的全万能成品孔型做了对比分析，结果表明采用全万能成品孔型不仅更能保证重轨轨头踏面圆弧尺寸的精度，同时能减少轧制道次，提高轧制效率。全万能轧制法生产工艺的应用，能满足我国生产高精度重轨的需要，大大提高经济效益和社会效益。为了深入研究60kg/m高精度重轨在轧制过程中的变形特点，采用了有限元模拟的方法进行分析计算。 作者通过显式有限元软件对全万能法轧制60kg/m高精度重轨的整个轧制过程进行了弹塑性有限元模拟。在模拟分析的过程中，几何模型均采用实际尺寸，为提高计算效率，采用了质量放缩的方法，同时应用沙漏控制技术，减少单元边波浪形状。通过有限元分析，得到了各道次轧件的断面尺寸及变形参数，分析了典型道次的应力、应变分布及金属流动规律，并详细分析了全万能成品孔中轧件轨头受力和变形情况，更详尽地阐述了全万能成品孔型对轨头踏面圆弧的加工过程。 模拟结果中轧件尺寸和实际要求一致，证实了本次设计中全万能轧制法孔型系统的合理性，对采用全万能成品孔的万能轧制法投入实际生产应用提供了一定的可行性支持，同时证明利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA可以很好地对复杂断面型钢的轧制过程进行模拟分析，为轧制理论的深入研究提供了一个非常有效的工具。

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

1.1研究背景

1.1.1铁路运输业的发展

1.1.2钢轨发展概况

1.1.3钢轨的种类及断面特点

1.1.4现代钢轨的生产工艺

1.1.5钢轨孔型系统

1.2课题的研究背景

1.2.1高速铁路对钢轨质量的要求

1.2.2本课题的背景

1.3弹塑性有限元在轧制过程理论的研究

1.4工具软件概述

1.4.1隐式通用有限元软件ANSYS

1.4.2显示非线性动力分析通用有限元程序LS-DYNA

1.5课题研究的意义及主要研究内容

1.5.1研究意义

1.5.2主要研究内容

第2章重轨万能轧制法的研究

2.1前言

2.2阿央日的重轨轧制技术

2.2.1轧制重轨的万能孔型设计原则

2.2.2万能轧机设备布置及轧制道次

2.2.3阿央日万能轧制重轨的优点

2.3前苏联的重轨轧制技术

2.3.1采用四辊万能精轧机座轧制重轨

2.3.2万能机座用作预精轧机座生产重轨

2.4钢轨万能轧制法的优点

2.5国外提高重轨轧制精度的新探索

2.5.1左右异径的立辊

2.5.2两台万能轧机连轧重轨技术

2.5.3轨头压下量不等的重轨轧制技术

2.6国内重轨的生产

2.6.1我国各钢轨厂家生产情况概述

2.6.2重轨传统生产方法

2.6.3短流程重轨生产工艺在鞍钢大型厂的应用

2.6.4攀钢万能生产线轧制重轨工艺

2.7本章小结

第3章60kg/m高精度重轨孔型系统设计及对成品孔型的研究

3.1孔型设计概述

3.2 60kg/m高精度重轨孔型开发

3.2.1坯料选择

3.2.2箱形孔型

3.2.3帽形孔型

3.2.4轨形孔形和立压孔形

3.2.5万能粗轧和中轧孔型

3.2.6万能成品孔型

3.3轧机布置及轧制道次

3.3.1轧机布置

3.3.2轧制道次

3.4孔型构成及配置

3.5高精度重轨半万能和全万能成品孔型的研究

3.5.1半万能成品孔型

3.5.2全万能成品孔型

3.5.3半万能成品孔与全万能成品孔系统轧制效率的对比

3.6本章小节

第4章60kg/m高精度重轨万能轧制有限元模拟与分析

4.1前言

4.2 60kg/m重轨轧制过程有限元模拟步骤

4.2.1选择单元

4.2.2建立几何模型

4.2.3材料模型

4.2.4网格划分

4.2.5边界条件与加载

4.2.6后处理

4.3模拟结果分析

4.3.1箱形孔型

4.3.2 BD1轧机——帽形孔型

4.3.3 BD2轧机——轨形和立压孔型

4.3.4万能机组——万能粗轧、中轧和精轧机组孔型

4.4本章小结

第5章结论

参考文献

致谢