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特种成形
文章编号:1672-0121(2011)03-0060-03
钢管压力矫直过程有限元分析
李瑞斌,毛春燕
(太原重工股份有限公司技术中心,山西太原030024)
摘要:通过分析不同直径、不同壁厚、不同支点间距的钢管在矫直时的矫直力、矫直行程,总结得出矫直
修正量的精确计算公式,为自动矫直机的控制提供了可靠依据。首先应用 DEFORM3D软件计算出載荷力,
即工件实际屈服的加载カ,然后在Mare中用求得的加载カ实际加载和卸载,从而求得載荷撤销后压头处回
弹剩余挠度和实际行程最大挠度值,利用其多个点的数值,再应用数值分析软件 Matlab对数值进行拟合,求
得其函数关系式,这样就可以应用函数关系式精确求出其矫直修正量,为全自动矫直机的矫直行程计算和控
制提供了新思路。
关键词:机械制造;矫直压力;矫直机;数值模拟
中图分类号:TG315.54文献标识码:B
1前啻
复杂性,理论计算的精度受到限制。随着自动矫直
近年来,管材生产在数量上和品种方面有很大机的广泛应用,如何准确计算矫直行程显得尤为重
增长,中国石油、化工、机械、汽车、建筑等行业快速要,要想准确地制定工艺参数,就必须了解矫直变形
发展带动国内钢管消费量稳定增长,钢管市场发展过程的原理,这是矫直设备向数控化、柔性化、自动
潜力巨大。国内钢管厂在工艺技术、装备水平、产品化方向发展的关键技术。为了进一步完善管材的矫
质量等方面尚有较大的差距,要满足市场的需求,以直精整过程和提高矫直速度,必须研究开发新的高
适应我国国民经济发展的要求,还需要相应的配套效率管材矫直机。由于矫直过程中力的相互作用关
设备。目前卧式大吨位钢管矫直机生产厂家还很少,系相当复杂,只有精确地确定矫直过程的力学变形
生产水平也不高,但需求量很大。因此,研究、开发高规律,才能正确地评价矫直机矫直力能参数,从而正
水平大吨位钢管矫直机是非常必要的。
确设计和使用管材矫直机。
矫直工艺方法广泛应用于金属加工业、机械制
造业、仪器仪表制造业。矫直不仅影响到工件的宏观2矫直过程模型的理论分析
形状和尺寸,也会改变工件内部材料的组织结构以
压力矫直实际是一个弹塑性反弯的过程。矫直
及材料内部的应力分布。矫直过程是一个相当复杂时,通过检测确定最大弯曲处为加压点,两端简支,
的弹塑性变形过程,现在人们还无法对各种矫直方一般两支点对称分布。假如零件的初始弯曲量为8on
法给出精确的描述。许多矫直机的操作还主要依赖在中点施加集中载荷F,零件发生弹塑性变形,产生
于工人的经验来设定工艺参数,不同的操作工人设反向弯曲,反弯曲为6a;卸载后,零件有一部分发生
定的工艺参数不尽相同,产品质量十分不稳定。这也永久塑性变形,还有一部分弹性回弹,若弹复量好
是造成每次矫直机调整占用时间长,生产效率低下等于反弯变形量8n,则零件被矫直。此时,总压下量
的直接原因。
即矫直行程为δ80+8n。整个矫直过程中压点处的载
目前,一些学者从弹塑性力学的理论基础出荷F和挠度δ的变化关系,称之为矫直过程模型(简
」发,进行一定的假设和简化,推导建立了一些计算
称Fδ模型),见图1所示。
!矫直行程的数学模型,能够达到一定的计算精度。
由图1可知,矫直过程可分为三个阶段:弹性变
然而,由于理论计算所作的简化,以及实际情况的
形阶段OA,发生的是纯弹性弯曲变形,A点为极限
弹性弯曲;弹塑性变形阶段AC,继续加载进入弹塑
出收日期:201103
性变形至C点后卸载;弹性回弹阶段CD,卸载后零
5「作者箇介:李瑞,男,从事重型锻压机械的设计制造与研究
件弹性回弹至D点。由于被认为是弹性回弹,材料
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Se特种成形
3.2计算结果
C
经模拟计算结果如图3所示
应用 DEFORM软件可以解决许多问题,在这里
只是应用它把矫直机载荷加载过程中能使钢管应力
达到塑性状态时的平稳载荷求出即可,用它提供的
数据应用于后续Mare分析中
图1压力矫直过程理论模型图
的应力应变关系仍然满足虎克定律,所以单性回弹
阶段也是一段直线,其斜率与弹性加载阶段相同。若
矫直前后零件的挠度变化OD段长度正好等于初始
弯曲量8,则零件正好被矫直,此时,回弹量也就是
反弯量,矫直行程为δ-80+8,C点对应的载荷即为
矫直载荷。对于不同初始弯曲程度的零件所需的矫
直载荷或矫直行程是不同的,即C点的位置不确
图3钢管720-120-1第340步云图和载荷谱
定,设B点载荷为单次矫直所允许的最大载荷。
如果能建立矫直加载过程的Fδ模型,只需根
4应用 MfscMrrc矫直钢管有限元分析
据零件的初始弯曲量即可计算出所需的矫直行程或
前面 DEFORM计算出了工件屈服的实际加载
矫直载荷。
力,接着采用Marc进行加载和卸载计算。成品管按
其尺寸分为325-55-1(外径325mm-壁厚55mm-长
3应用 DEFORV压力矫直过程分析
度1000mm),325-55-2,325-55-3,630-100-1,630-
本文采用 DEFORM3D有限元分析软件对矫
100-2,630-100-3,660-100-1,711-100-1,711
直钢管进行数值模拟。 DEFORM是一套基于工艺模
100-2,711-100-3,720-120-1,720-120-2,720
拟系统的有限元系统(FEM),专门设计用于分析各
种金属成形过程中的三维(3D)流动,提供极有价值
按照前面成品管的不同尺寸建立模型,通过分
的工艺分析数据。模拟计算的结果可以直接分析出
析不同直径、不同壁厚、不同支点间距的钢管在矫直
模型中对工件的工艺作用力
时的矫直力、矫直行程,可以看出(图4)由于钢管矫
3.1力学模型的建立
直机受压弯曲产生的最大正应力位于最大弯矩所在
钢管矫直机由压头和两支点组成,被矫直的钢截面上距中性轴最远的地方,故钢管屈服先从压头
管在压力机压头和两支点间施加的矫直力作用下
面和其对面的面开始屈服。先是克服拱形引起的拉
使被矫钢管成为一个受力筒支梁。现以成品管720-
压力,然后在反向拱的时候拉压反转,此时所需的加
120-1(外径720mmー壁厚120mm-长度1000mm)为
载力会突然减小,然后在屈服发生塑性变形的过程
例,建立力学模型(图2)。上下压模假设为刚体,材
中会逐渐加大。加载面积的大小和支点面积的大小
料屈服强度按1130MPa计算。
2,2n3
长塔露咖上
图2钢管矫直力学模型图
图4钢管等效应力云图
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