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    基于ANSYS/LS-DYNA的焊管張力減徑數(shù)值模擬*

    2014-05-07 12:48:44安俊靜楊士俠趙春江郝琳璐
    機(jī)械工程與自動(dòng)化 2014年3期
    關(guān)鍵詞:孔型軋輥管壁

    白 磊,安俊靜,楊士俠,趙春江,郝琳璐

    (1.太原科技大學(xué),山西 太原 030024;2.太原普萊設(shè)工程技術(shù)有限公司,山西 太原 030024)

    0 引言

    目前,石油天然氣輸送鋼管、城市燃?xì)庥霉堋⒁话銠C(jī)械管、結(jié)構(gòu)管、汽車傳動(dòng)軸管、皮帶機(jī)托輥管、煤礦的排風(fēng)輸水管,以及部分低壓鍋爐管、熱力管、低強(qiáng)度油井管等這些無縫管正在由焊管取代。與無縫鋼管相比,焊管在外徑公差、壁厚公差、拉伸性能、晶粒均勻性、抗沖擊爆炸性能以及鋼管表面粗糙度方面都有著優(yōu)勢,更重要的是焊管的生產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于無縫鋼管。

    ERW高頻直縫焊管,采用由高頻電流產(chǎn)生的集膚效應(yīng)把熱軋板卷邊并進(jìn)行加熱至熔融狀態(tài),再通過機(jī)械擠壓方法進(jìn)行焊接。通過該工藝生產(chǎn)的焊管焊縫中心會(huì)有一條白色的熔合線,在熔合線兩側(cè)的熱影響區(qū)(即腰鼓形)會(huì)產(chǎn)生由中部向表面方向延伸的金屬流線,一般通過焊管熱張力減徑軋制來消除熔合線,實(shí)現(xiàn)焊管“無縫化”[1]。

    針對(duì)直縫焊管,除了在張力減徑過程中獲得一致的組織外,其幾何參數(shù)精度也是必須保證的性能指標(biāo),尤其是外徑Φ426 mm~Φ610 mm的大口徑鋼管,對(duì)其外形尺寸和壁厚均有較高精度要求。因此有必要對(duì)焊管張力減徑過程進(jìn)行模擬,對(duì)張力減徑過程中壁厚變化規(guī)律及其控制方法進(jìn)行研究,更好地保證工藝的有效性。

    1 焊管熱張力減徑軋制工藝

    焊管熱張力減徑軋制工藝是以焊管的質(zhì)量及其可靠性為目標(biāo),其技術(shù)指標(biāo)與無縫管等同,同時(shí)部分性能優(yōu)于無縫管。具體是將焊接好的鋼管作為母管,通過中間加熱爐將其加熱到920℃~950℃,不等奧氏體晶粒長大,經(jīng)張力減徑機(jī)軋制,進(jìn)行延伸變形,并在線實(shí)現(xiàn)變形熱處理,使焊縫處經(jīng)過兩次相變后與母材一起熱變形,在同等條件下完成焊管焊縫恢復(fù)再結(jié)晶的過程,成品管焊縫組織基體與母體組織一致[2],最終獲得均勻的組織[3]。

    2 焊管張力減徑各機(jī)架壁厚計(jì)算

    最大張力系數(shù)由如下經(jīng)驗(yàn)方法確定:

    其中:c為成品管和荒管厚徑比平均值,c=0.5[(s0/d0)+(se/de)],s0為荒管壁厚,se為成品管壁厚,d0為荒管外徑,de為成品管外徑。

    求出Zm后,根據(jù)圖1所示的張力在機(jī)架中的分布情況,求出第i架的平均張力系數(shù)Zi。

    在已知si-1并求出Zi后,計(jì)算各孔型的平均直徑di=ai+bi(其中,ai為第i架軋輥孔型的長軸,bi為第i架軋輥孔型的短軸)。利用迭代法求出經(jīng)過各個(gè)機(jī)架管子的壁厚值si。首先計(jì)算第i架變形區(qū)的壁厚系數(shù)ri:

    其中:si-1,si分別為第i架管子軋前和軋后壁厚;di-1,di分別為第i架管子軋前和軋后外徑。

    圖1 張力在機(jī)架中的分布情況

    設(shè)βi為第i架管子的壁厚和中徑的對(duì)數(shù)變形比,則有:

    具體迭代過程如下:先以si-1代替式(3)中的si求出ri,再以此ri代入式(4)中求出βi,再以此βi和si-1代替式(5)中括號(hào)內(nèi)的si,用式(5)計(jì)算得到另一個(gè)si值;再以此si作為已知參數(shù)代入式(3)和式(5)得到新的si值;如此不斷迭代,直到前、后兩次所得的si值無明顯變化(兩者差小于0.01 mm)時(shí),把最后得到的si值作為所求即可。最后計(jì)算出通過所有機(jī)架軋輥鋼管的壁厚值,見表1。求出的壁厚偏差若超過公差,則要重新選擇荒管壁厚或張力系數(shù)[4]。

    表1 各機(jī)架鋼管壁厚計(jì)算值

    3 張力減徑過程的數(shù)值模擬

    3.1 建立三維模型

    根據(jù)各機(jī)架軋輥孔型參數(shù)和焊管尺寸在Pro/E軟件中構(gòu)造三維實(shí)體模型。

    在張力減徑過程中,焊管內(nèi)部不帶芯棒,焊管依次通過各機(jī)架孔型,完成焊管的連續(xù)加工,在減徑的過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)減壁。此張減機(jī)組為19架,軋輥使用橢圓孔型,孔型的3個(gè)軋輥呈120°Y字形分布,奇數(shù)機(jī)架與偶數(shù)機(jī)架互呈60°交替排列。焊管初始尺寸為Φ141.13×6 mm,成品管尺寸為Ф73.60×5.49 mm。建成的焊管張力減徑三維實(shí)體模型如圖2所示。

    圖2 焊管張力減徑三維模型

    3.2 有限元模擬過程

    將Pro/E中已建好的模型通過接口導(dǎo)入ANSYS軟件中,模型單元定義為Solid164實(shí)體單元。將各個(gè)機(jī)架的軋輥定義為剛體,焊管定義為彈塑性體。軋輥選擇Rigid類型,設(shè)密度為7 550 kg/m3,彈性模量為173 GPa,泊松比為0.3,并且限制x,y,z方向的移動(dòng)及2個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。將焊管作為彈塑性體,選擇Bilinear Isotropic類型,設(shè)定材料的密度為7 850 kg/m3,彈性模量為173 GPa,泊松比0.27,屈服強(qiáng)度為170 MPa,剪切模量為1.17 GPa[5]。

    將軋輥和焊管按照順序定義為part單元,然后依次對(duì)每個(gè)part單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,由于剛體是不發(fā)生形變的,所以網(wǎng)格劃分略粗一些。焊管是彈塑性體,在軋制力的作用下會(huì)發(fā)生形變,所以網(wǎng)格要細(xì)化。模型的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

    圖3 模型的網(wǎng)格劃分

    設(shè)定靜態(tài)摩擦系數(shù)和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)分別為0.3和0.2。選擇軋輥為目標(biāo)面,焊管為接觸面,選擇surface to surt類型,Automatic接觸,依次完成每一個(gè)接觸對(duì)的定義。

    設(shè)軋輥的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為25 s,再定義各軋輥的轉(zhuǎn)速數(shù)組,根據(jù)軋輥的旋轉(zhuǎn)軸選擇剛體旋轉(zhuǎn)類型,選擇所定義的軋輥part及時(shí)間數(shù)組和轉(zhuǎn)速數(shù)組,完成軋輥的載荷加載。最后定義求解時(shí)間,進(jìn)行求解[6]。

    4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

    圖4為第1,3,5,7,9,11,13,15,17機(jī)架的鋼管截面圖。對(duì)現(xiàn)場軋制的成品管材進(jìn)行取樣,對(duì)壁厚進(jìn)行測量,與壁厚的理論計(jì)算值和有限元模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖5所示。從圖5中可以看到,理論計(jì)算出的壁厚值與實(shí)測出的壁厚值非常吻合,誤差基本在2%以下,說明此壁厚理論計(jì)算公式是準(zhǔn)確的。運(yùn)用ANSYS模擬出的壁厚值與實(shí)測值的趨勢基本一致,誤差不超過4%,證明此模擬結(jié)果符合實(shí)際,對(duì)現(xiàn)場生產(chǎn)有很大的指導(dǎo)意義。圖5中位于第3機(jī)架的鋼管與第1,2機(jī)架的鋼管壁厚相比有增加的趨勢,最后幾架的管壁與第15機(jī)架的管壁相比壁厚有增加的趨勢,這是由于鋼管在咬入和拋出的過程中,張力系數(shù)較小導(dǎo)致管壁增厚現(xiàn)象。這一現(xiàn)象普遍存在于鋼管的軋制工藝,應(yīng)盡量減少或消除管壁增厚。

    圖4 各機(jī)架處焊管斷面

    圖5 焊管過每機(jī)架的壁厚分布

    5 結(jié)論

    本文主要研究了焊管張力減徑過程中壁厚的變化情況,介紹了管壁計(jì)算公式及其迭代計(jì)算過程,針對(duì)某一焊管參數(shù),對(duì)其張力減徑過程進(jìn)行了基于ANSYS/LS-DYNA的有限元模擬,對(duì)張力減徑過程中管壁厚度的變化進(jìn)行了虛擬再現(xiàn),并與理論計(jì)算值以及實(shí)測值進(jìn)行了對(duì)比,對(duì)比發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算出的壁厚值與實(shí)測出的壁厚值非常吻合,誤差基本在2%以下,驗(yàn)證了由此理論計(jì)算公式得出的工藝參數(shù)的正確性;運(yùn)用ANSYS模擬出的壁厚值與實(shí)測值的趨勢基本一致,誤差不超過4%,證明此模擬結(jié)果符合生產(chǎn)實(shí)際,為焊管張減工藝與設(shè)備參數(shù)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

    [1] Hans Joachim Pehle,郭樺.無縫鋼管的現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].鋼管,2003,32(6):47-52.

    [2] 孟憲成.熱張減技術(shù)在焊管生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].焊管,1998,21(5):21-25.

    [3] 冀偉,趙實(shí)鳴.焊管無縫化生產(chǎn)工藝技術(shù)的特點(diǎn)與應(yīng)用前景[J].天津冶金,1998(3):1-5.

    [4] 周研.鋼管微張力減徑工藝參數(shù)研究及軟件開發(fā)[D].太原:太原科技大學(xué),2008:1-15.

    [5] Takuya Nagahama,Akira Yorifuji,Takaaki Toyook.Behaviour of polygon formation in hot stretch reducing of tubes[J].International Tube Association,2003,22(3):72-76.

    [6] 時(shí)黨勇,李裕春,張勝民.基于 ANSYS/LS-DYNA 8.1進(jìn)行顯式動(dòng)力分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

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