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油管端部镦锻成形工艺研究及其数值模拟

张志坤  
【摘要】: 随着石油开采工业的发展,在钢管端部直接加工螺纹的采油油管由于连接强度低,难以满足深油井开采的需要,因此,研究开发用锻造的方法制造端部加厚油管已成为当务之急。然而油管端部镦锻,由于镦锻比较大,变形复杂,在成形过程中容易出现失稳,是急需要攻关的一个难题。本文采取实验与理论相结合的研究方法,对大直径近似薄壁管的管坯端部镦锻变形做了深入的研究。本文做了以下几个方面的工作: 首先,对管坯端部镦锻变形规律进行了深入的研究,归纳了管坯端部镦锻过程中容易出现的几种失稳模式及其影响因素。 其次,运用上限法,建立了管坯端部镦锻的速度场,并求解出管坯端部镦锻的变形力,分析了管坯端部镦锻变形过程中的主要工艺参数。 第三,对刚黏塑性有限元理论进行了深入的研究,建立了刚黏塑性材料的本构方程,求解了黏塑性变形的变分原理及有限元列式,讨论了刚黏塑性变形有限元模拟中的迭代收敛问题、摩擦边界条件以及管坯镦锻过程中中性层的处理。 最后,根据以上的实验研究和理论分析,制定了大直径油管端部镦锻的成形工艺,设计了相应的成形模具。并利用Deform 3D有限元模拟软件对管坯端部镦锻成形过程进行了三维模拟,然后对模拟结果进行了详细而深入的分析,归纳出了管坯端部镦锻中的主要工艺参数及管坯端部镦锻过程中的应力应变分布、温度场分布、速度场分布以及芯轴的长度及锥度对管坯镦锻的影响。进一步验证了本文所制定的大直径油管端部镦锻工艺的可行性和所设计的油管端部镦锻成形模具的合理性,为以后的油管端部镦锻提供了理论基础和研究方法。 目前,该模具已经成功地用于加厚油管的端部镦锻的生产制造中,取得了良好的社会效益和经济效益,促进了我国石油工业的发展,展示了广阔的应用前景。


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