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2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳380锥形螺旋焊管成形过程的研究楚志兵，秦建平（太原科技大学材料学院，太原030024）摘要：在研究螺旋焊管成形过程中带钢的变形特征，以及焊管管壁的层间应力情况的基础上。提出了一种特殊工艺过程——锥形螺旋焊管成形工艺。本篇采用有限元法对锥形螺旋焊管成形过程进行有限元数值模拟，并通过实验进行验证。关键词:锥形螺旋焊管；成形过程；应力；应变；有限元分析AnalysistheformingprocessofconicalspiralweldpipebyFEMCHUZhi-bing,QINJian-ping(TaiYuanUniversityofScienceandTechnology,TaiYuan030024)Abstract：Accordingtodeformationfeaturesofsheetstripduringformingprocessofthespiralweldpipeandthestressconditionofweldpipe'swallbetweenlowersurfaceanduppersurface.Formulatingaspecialtechnicalprocessing—conicalspiralweldpipe.Meanwhile,theformingprocessoftheconicalspiralweldpipewassimulatedbythefiniteelementsoftwareinthisarticle,andverifiedbyexperiment.Keywords:conicalspiralweldpipe;formingprocess;stress;strain;finiteelementanalysis.1引言由于锥形管具有良好的等强度力学性能，在建筑结构领域有广泛的用途。近年来,随着城市建设、道路工程和输变电行业的发展，对锥形焊管的数量和质量提出了更高的要求。广阔的市场前景给锥形焊管的发展带来了新的机遇和挑战。传统生产工艺基本上都是以压制为主，加工成直缝锥形焊管，但由于在成形前必须将钢板裁剪成等腰梯形，造成了材料浪费、成本高、效率低的现象，很难实现大规模生产。致使锥形管的价格远高于普通焊管。只能够采用订单式的小批量生产方式。而锥形螺旋焊管的生产可以克服上述问题，大批量、系列化生产成为可能。针对上述生产技术问题，笔者提出采用螺旋成形的生产工艺，即通过带钢在锥形辊上强力缠绕的方式生产锥形螺旋焊管。与锥形直缝焊管相比，锥形螺旋焊管除了优良的性能和价格比外，还具有良好的焊缝质量，因此锥形螺旋焊管将会像普通螺旋焊管一样成为市场上可以随时购买和使用的钢材。从而丰富钢材的品种规格，提高钢材的利用率。由于主要的成形工具——缠绕辊有一定的锥度，锥形螺旋焊管的其成形过程比普通螺旋焊管更为复杂。平行四边形带钢的空间弯曲变形（考虑成形角）使带钢的应力应变更加不均匀。因此,分析带钢的应力以及应变分布情况，对于工艺参数的制定是十分重要的。基于上述原因，采用非线性有限元软件ANSYS/LY-DYNA，尝试对锥形螺旋焊管的成形过程进行数值计算。但是，即使采用数值方法分析锥形螺旋焊管的成形过程也存在计算量大的问题。该问题包括材料非线性（塑性弯曲）、几何非线性（大变形）和边界条件非线性（接触问题）。笔者根2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳381据成形过程中板的变形特征而采取特殊的单元划分方案，在保证一定精度的情况下，大大减少单元和节点数。通过计算，得到一些对生产有指导意义的结果。2带钢的变形特征锥形螺旋焊管成形各参数如图1所示。钢板宽度B、芯辊直径D、锥度L及成形角a。在不考虑带钢厚度的情况下，螺距间对缝为零；若考虑带钢厚度，带钢的上下表面分别形成螺旋圆台面，其成形角不同。由于在实际生产中，成形角只有一个，这样，在锥形钢管的轴向上带钢的上下表面就发生错移。这就是导致锥形钢管管壁层间产生剪切应力的。带钢的变形特征除了层间剪切变形外，另一个显著的特征是在垂直锥管轴线方向上的塑性弯曲变形大，而平行于锥管轴线方向上，变形较小。图1锥形螺旋焊管的成形参数S—螺距；B—板带宽度；D—钢管大径；a—成形角；L-锥度3成型过程中的应力状态带钢成型为锥形螺旋管坯后,其产生的管壁应力与带钢在成型过程中成型力成正比。带钢成型时的相对弯曲半径R为20～80(半径与厚度之比),根据塑性变形理论,在R=100时,塑性变形的影响将明显地表现出来。因此可以认为:成型带钢的弯曲变形为线性的纯塑性弯曲。通常情况下外力对金属所做功的大部分在变形过程中转换成热能,使金属温度升高,随后散失掉,只有小部分的功转换成内应力残留于金属中,使内能增加。其中,晶格畸变应力占总储存能的绝大部分,表现为管壁的形变硬化现象,导致钢管的抗拉强度有所增加。但同时外层金属受拉,内层金属受压,反向产生塑性变形,发生包辛格效应,使得带钢屈服强度有降低趋势。带钢强度水平对加工硬化能力和包辛格效应都有重要影响。随着钢强度的增加,则加工硬化指数趋于降低,即加工硬化能力减少,包辛格效应加强。当带钢屈服强度大于450MPa时,由于包辛格效应大于形变硬化效果,将导致管材屈服强度降低。除了有塑性变形外,还有与弯曲力矩成比例的弹性弯曲成份。在弯曲力矩减小的情况下,施加载荷,这时弯曲力矩和曲率的关系将是线性的:在减去负载时和在弹性变形区加负荷时,弯曲力矩同曲率半径之间的变化率是相同的。4有限元计算结果一次完整的计算分为3个工况步。第一工况步是上夹持辊压到离带钢上表面预定的位置；第二工况步是下夹持辊压到带钢的下表面，形成夹持状态；第三工况是让缠绕辊以sm/2.0旋转速度旋转，带动板带跟着缠绕辊旋转。夹持辊也跟着板带转动，同时也顺着轴线方向与板带同步平动。以上这些过程将会在ANSYS/LYDYNA中的特殊求解器中进行求解。由上述计算，带钢在卷取过程的变形可以得出:采用已有的工艺可以较顺利完成锥形螺旋焊管的2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳382全部变形。图2VonMises等效应力云图图3等效应变云图图2完整的表示带钢在成形过程中Mises屈服应力，可以用作生产中的参考；图3可知带钢最大应变为0.592,通过计算得到最大延伸率为0.592%,小于带钢（冷加工）的5%延伸率要求，说明此方案是合理的；图4的曲线表示在成形过程中带钢两边相对应单元的应变，得到两单元应变的差异，与实际理论分析（对应于缠绕辊径大的边应变比径小的大）一致，由此可以得到变形过程的缠绕辊与夹持辊的设置是可行的，因此该模拟为实际生产过程的可行性提供充分的理论依据。图4板带边部相对的单元应变5实验结果由于有限元模拟计算证明带钢变形过程的缠绕辊与夹持辊的设置是可行的。因此笔者根据计算过程中的重要参数（带钢宽度、带钢厚度、辊径、成型角、锥度）设计出一套实验装置，来验证有限元模拟计算的正确性。通过实验，生产出锥形螺旋焊管（图5）。与有限元模拟成形的结果(图6)对比，发现实验结果与模拟结果大体相同，进一步证明工艺的可靠性。2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳383图5实验结果图6模拟成形结果6结论(1)以带钢为研究对象，用ANSYS/LY-DYNA建立有限元数学模型和几何模型，成功的模拟锥形螺旋焊管的成形过程。(2)在带钢成形为锥形螺旋管坯过程中，由于夹持辊的夹持、成形角和锥度作用，使得带钢在其长度方向有应变，带钢两边的应变比中间的稍大。同时伴随着缠绕辊直径的减少，带钢边缘的应变逐渐减少。(3)通过对实验结果以及模拟成形结果进行分析对比，可以给工艺参数的制定提供充分的理论证据，为实际生产操作的成功奠定基础。参考文献[1]张朝晖．ansys8.0结构分析及实例接解析.北京，机械工业出版社2005.[2]时党勇.基于ANSYS/LS-DYNA8.1进行显式动力分析.北京，清华大学出版社2005.[3]李宏．螺旋焊管成形过程的有限元分析[J].石油机械，2001，29（9）：30-32.