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大型弯管热揻制过程数值模拟及工艺优化

韩文鹏  
【摘要】:管材弯曲加工作为一种重要的塑性成形方式,在油气输送、航空航天、工程机械、管道工程等领域有着重要地位。随着西气东输管道工程的开展,大口径高强度薄壁管的需求量越来越大,同时对管材加工工艺提出了更高的要求。管材在热揻弯曲的工艺过程中容易出现弯曲外侧减薄量过大、弯曲内侧失稳起皱、弯曲截面畸变等质量缺陷,因此通过研究热揻弯管工艺中弯曲工艺参数以及温度场分布对于实际生产具有重要指导意义。建立了热揻弯管工艺的简化模型,在一定简化条件下分析了弯曲过程中的受力状态,得到了轴向推力以及支撑轮支反力的表达式,对弯曲过程中的截面扁化现象进行了分析。针对该工艺涉及多物理场耦合问题,提出了一种适用的有限元模拟方法。使用动态加载实现了工件运动过程中的感应加热,利用ANSYS/Multiphysics模块实现了对管坯连续感应加热冷却过程的模拟,针对不同感应线圈宽度、不同冷却器间距下感应加热工况进行有限元模拟,得到不同工况下的管材轴向温度分布情况。利用Gleeble-3500对X80管线钢进行了热模拟实验,根据不同温度下的应力应变曲线得到了材料力学参数。利用LS-DYNA对热揻弯曲过程进行了有限元分析,解决了热揻弯曲工艺中涉及的“热—固”耦合问题,实现了管坯在运动稳态温度场下塑形弯曲的过程。以弯曲结束后管材壁厚变化、截面椭圆度、挠曲为主要判断标准,研究了推进速度、相对弯曲半径、相对厚度、支撑轮位置等弯曲工艺参数对于管材成形质量的影响。基于温度场模拟得到的温度分布结果,对不同温度分布工况的塑性成形过程模拟,通过对弯曲后管材成形质量分析得出,环向均匀冷却条件对于管材弯曲外侧减薄、弯曲内侧增厚、弯曲截面椭圆度的控制及中性层位移都有明显改善效果,通过对高温区宽度管材成形质量对比得到了较为理想的高温区宽度。进一步对周向差异冷却方式优化得到四分区差异冷却对椭圆度控制较理想,内外侧差异冷却对减薄率控制较理想,同时对两种冷却方式的合理范围进行了探究。


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