HFW焊管排輥成型預成型段ANSYS有限元分析

皮大光, 李立新, 張 靜, 蘇雨萌，袁 翔

(武漢科技大學材料與冶金學院，湖北 武漢，430081)

HFW焊管具有生產效率高、制造成本低、尺寸精度高、外型美觀及應用廣泛等優(yōu)點，近年來在國內焊管行業(yè)得到了迅速發(fā)展[1]。HFW焊管排輥成型技術是通過在水平成型輥之間配置的多個連續(xù)小輥(排輥)，使得板帶邊緣能夠沿著一條平滑自然的變形路徑成型，從而減小邊緣的回彈變形[2-3]。HFW焊管排輥成型的優(yōu)點是擴大了成品范圍、減少了板帶邊緣伸長量，缺點是對于大、中口徑HFW焊管容易產生邊浪和鼓包現(xiàn)象，成材率較低，因此對于大、中口徑的HFW焊管排輥成型技術生產過程的仿真研究極為重要。

1 材料模型的建立

采用X60管線鋼作為模擬板材。對X60管線鋼試樣進行拉伸實驗，根據(jù)所得應力-應變曲線回歸擬合材料的雙線性硬化模型，視實驗數(shù)據(jù)與雙線性模型對應數(shù)據(jù)點的流動應力差平方和最小時獲得的模型為最佳模型[8]。X60管線鋼雙線性硬化模型回歸擬合曲線如圖1所示。通過多個試樣的雙線性硬化模型回歸曲線求取均值，得到X60管線鋼的屈服強度為464 MPa，切線模量為509MPa,試樣密度ρ=7.8×103kg/m3，泊松比υ=0.3。

圖1 X60管線鋼雙線性硬化模型回歸擬合曲線

Fig.1RegressionfittingcurveofbilinearhardeningmodelforX60piplelinesteel

2 排輥成型有限元模型的建立

圖2 508 mm管預成型段輥花圖Fig.2 Forming roller diagram of 508 mm pipe in the pre-forming section

圖3 HFW焊管排輥成型過程預成型段有限元模型Fig.3 Finite element model for cage roll forming process of HFW pipes in the pre-forming section

板帶材料模型選用雙線性隨動強化模型(BKIN)，取具有對稱性質的板帶寬度和軋輥長度的1/2進行模擬分析。定義軋輥為剛性接觸體，單元采用SHELL163。為減少有限元單元數(shù)、縮短CPU計算時間，用軋輥外圓面來代替整個軋輥。定義板帶與軋輥間的接觸為自動面面接觸(ASTS)。應用罰函數(shù)法進行接觸控制，程序中的罰函數(shù)系數(shù)設置為0.6，計算時，一旦發(fā)生接觸穿透現(xiàn)象，就會施加一個很大的罰函數(shù)值使其返回到接觸面進行準確計算。板帶與軋輥間的摩擦模型用庫侖摩擦模型[6]，分別取動、靜摩擦系數(shù)為0.1和0.2。施加載荷時，板帶設置為左右對稱約束，對于軋輥，除軸向旋轉不加約束外，其他5個自由度均加約束。選取板帶前進速度為6000 mm/s。軋輥角速度為軋輥線速度與軋輥工作半徑的比值。

3 仿真分析結果與討論

3.1 排輥成型應力分析

板帶進入、穿過彎邊輥時等效應力云圖如圖4所示。從圖4(a)中可以看出，板帶被彎邊輥咬入時，在彎曲變形區(qū)域產生了488.1 MPa的等效應力，其值大于板帶屈服強度(464 MPa)，表明板帶已產生了塑性變形；從圖4(b)中可看出，板帶穿過彎邊輥時，在彎曲變形區(qū)域產生的等效應力為475.8 MPa。上述結果表明，板帶在咬入階段產生的等效應力較穩(wěn)定階段大。這與文獻[9]描述的現(xiàn)象相吻合，即板帶克服屈服強度極限后進入穩(wěn)定變形階段。

(a)板帶進入彎邊輥

(b)板帶穿過彎邊輥圖4 板帶進入、穿過彎邊輥時等效應力云圖Fig.4 Equivalent stress nephogram when strip entering and through the edge-bending roll

3.2 排輥成型應變分析

預成型段沿板帶不同橫截面的PEEQ[10](等效塑性應變)分布如圖5所示，圖5中橫坐標表示不同橫截面形狀投影后的相對距離，板帶中心取值為0，板帶邊部為1。由圖5中可看出，板帶進入彎邊輥時，邊緣受到彎邊上輥與下輥的共同擠壓發(fā)生了較大的彎曲變形，其PEEQ急劇增大至0.051，之后在各排輥共同作用下PEEQ緩慢增大；預成型段彎邊輥對板帶邊部PEEQ貢獻最大，最大塑性變形發(fā)生在板帶邊緣和中心區(qū)域；由于空彎，在板帶邊緣和中心區(qū)域之間存在一段基本無塑性變形的區(qū)域，這即是文獻[11]描述的“非彎曲區(qū)”。

圖5 預成型段沿板帶不同橫截面的PEEQ分布Fig.5 Effective plastic strain along different cross-sectional profiles of the strip in the pre-forming section

3.3 板帶邊部變形分析

圖6 板帶在預成型段的變形幾何形狀Fig.6 Deformed geometry of the strip in the pre-forming section

4 實測驗證

實測板帶經(jīng)過預成型段彎邊輥(a)、大壓下輥(b)和預成型出口處(c)的開口距離和斷面形狀。取斷面上點的縱坐標時，以板帶通過夾送輥所在平面為零基準面，彎邊處、大壓下處和預成型出口處的下山量分別為-44.0 mm、-320.4 mm和-398.2 mm。預成型段縱向測量位置示意圖如圖7所示。預成型段不同位置開口距離實測值與仿真值如表1所示。從表1可看出，開口距離實測值與仿真值的最大絕對誤差(Δd)和相對誤差(δd)分別僅為11.9mm和1.897%。彎邊輥、大壓下輥和預成型出口處斷面形狀實測值與仿真值如圖8～圖10所示。從圖8～圖10中可看出，實測結果與仿真結果完全吻合。實測驗證表明，利用ANSYS動力顯式有限元軟件進行HFW焊管排輥成型預成型段動態(tài)仿真，其精度完全滿足工程應用需要。

圖7 預成型段縱向測量位置示意圖

Fig.7Longitudinalmeasuredpositionsinthepre-formingsection

表1預成型段不同位置開口距離實測值與仿真值

Table1Themeasuredandsimulationvaluesofopeningdistanceatdifferentmeasuredpositionsofthepre-formingsection

d/mmΔd/mmδd/%791.9 785.36.60.833 690.2 680.110.11.463 629.3 617.411.91.897

圖8 彎邊輥出口處斷面形狀實測值與仿真值

Fig.8Measuredandsimulationvaluesofstripprofileattheexitofedge-bendingroll

圖9 大壓下輥出口處斷面形狀實測值與仿真值

Fig.9Measuredandsimulationvaluesofstripprofileattheexitofbreakdownroll

圖10 預成型出口處斷面形狀實測值與仿真值

Fig.10Measuredandsimulationvaluesofstripprofileattheexitofthepre-formingsection

5 結語

彎邊區(qū)域板帶在咬入階段產生的等效應力較穩(wěn)定階段大；預成型段彎邊輥對板帶邊部變形的貢獻最大，最大塑性變形發(fā)生在板帶邊緣和中心區(qū)域；板帶邊緣無邊浪和鼓包產生。利用ANSYS有限元軟件進行HFW焊管排輥成型預成型段動態(tài)仿真精度滿足工程應用需要。

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