定徑

定徑模型為對(duì)稱結(jié)構(gòu),因此取其1/ 4建立實(shí)體模型和有限元模型,在相應(yīng)位置施加正確約束,既能節(jié)省計(jì)算時(shí)間,又能得到精確結(jié)果。模型坐標(biāo)方向設(shè)置為: x 為水平方向, y 為垂直方向, z 為軋件的軸線方向。

1 　相關(guān)問題

鋼管定徑是典型的彈塑性問題,涉及材料的非線性、接觸非線性等多重非線性問題。ANSYS 采用增強(qiáng)的拉格朗日法描述,單元?jiǎng)偠染仃嚳杀硎緸?

( [ K0 ]e [ Kδ ]e [ Kl ]e)ΔU = f q - r (1)

式中,[ K0 ]e ,[ Kδ ]e —小位移和大位移的彈塑性剛度矩陣;

[ Kl ]e —初應(yīng)力剛度矩陣;

ΔU —位移增量;

f —點(diǎn)載荷;

q —面載荷;

r —初應(yīng)力的節(jié)點(diǎn)力向量。

另外,分析接觸問題存在兩個(gè)較大的難點(diǎn):

①在求解問題之前不知道接觸區(qū)域表面之間是接觸的還是分開的;

②需要計(jì)算摩擦力。由于摩擦模型都是非線性的,致使問題的收斂性變得困難。

分析摩擦?xí)r采用庫侖模型,接觸的本構(gòu)方程為:

σc = [ Kc ]εc (2)

式中,σc —接觸應(yīng)力;

εc —接觸應(yīng)變;

[ Kc ] —接觸剛度矩陣。

通過建立接觸對(duì)來描述程序,同時(shí)使用實(shí)常數(shù)P 指定容許的最大滲透量,用實(shí)常數(shù)K 決定接觸剛度,但是K 的選擇要結(jié)合P 值來進(jìn)行。本模型中這兩個(gè)參數(shù)最后定為: P = 5 ; K = 0101 。

2 　有限元模型

設(shè)定好相關(guān)參數(shù)后,建立有限元模型的關(guān)鍵在于網(wǎng)格劃分、邊界條件和約束的正確施加等。。單元類型采用SOL ID45 ,這種八節(jié)點(diǎn)六面體單元很適合三維仿真。軋輥?zhàn)冃蜗鄬?duì)于鋼管很小,按剛性處理,采用“剛體2柔體”的面2面接觸來模擬。網(wǎng)格劃分采用手工劃分,可以劃分出疏密不同的網(wǎng)格。最后共劃分出1 600 個(gè)單元,3 532 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

針對(duì)實(shí)際情況和對(duì)稱性,在鋼管垂直和水平對(duì)稱面施加對(duì)稱約束。對(duì)垂直軋輥施加轉(zhuǎn)動(dòng)約束,帶動(dòng)鋼管前進(jìn),而水平輥則被動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

采用理想彈塑性材料本構(gòu)關(guān)系來體現(xiàn)鋼管的塑性變形,屈服準(zhǔn)則采用米賽斯準(zhǔn)則。

仿真時(shí)所用材料模型中各項(xiàng)參數(shù)如下:屈服極限σs =490 MPa ;彈性模量E = 207 GPa ;泊松比μ= 013 。

仿真針對(duì)外徑<610 mm 的鋼管進(jìn)行。其它各項(xiàng)參數(shù)為, 鋼管壁厚δ= 20 ～ 26 mm , 縮徑量為0135 %～0145 % ,摩擦系數(shù)μ= 011～015 ,垂直軋輥直徑為430 mm ,水平軋輥直徑為360 mm ,兩輥交界與垂直面夾角為55° 。

(1) 鋼管定(縮) 徑過程是典型的大變形塑性問題,涉及到金屬流動(dòng)及彈復(fù)等行為,用經(jīng)典解析方法很難研究其具體過程,而有限元仿真則可以求解。

(2) 三維非線性塑性模型仿真研究結(jié)果表明,鋼管定(縮) 徑時(shí),軋制力隨壁厚,壓下量及摩擦系數(shù)等有規(guī)律的變化。無論是垂直軋制力或是水平軋制力,都隨鋼管壁厚及縮徑量的增加呈遞增趨勢(shì),且咬入時(shí)軋制力最小,隨后逐漸增大 。2100433B

隨著鋼管生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大,品種增多,對(duì)生產(chǎn)工藝和設(shè)備要求越來越高。定徑是鋼管生產(chǎn)的重要工序。其原理與減徑基本相同,均是由軋輥形成小于毛坯孔徑的孔形,當(dāng)鋼管通過時(shí),軋輥強(qiáng)迫鋼管發(fā)生塑性變形,使其直徑縮小。在定徑方法中,四輥定徑較為先進(jìn)。

由于定徑的變形量較小,鋼管軋后的彈復(fù)相對(duì)較大,相對(duì)于壓下量較大的減徑過程而言,鋼管內(nèi)金屬的流動(dòng)、應(yīng)力分布等對(duì)輥形、壓下量等參數(shù)的變化更為敏感,從而造成用經(jīng)典解析方法計(jì)算軋制壓力、壓下量等更加困難。

有限元方法的產(chǎn)生為結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度分析、動(dòng)力學(xué)研究及壓力加工過程的仿真提供了有效手段,特別是對(duì)壓力加工這類包含接觸、幾何和物理非線性等特征的大變形彈塑性問題,更加有效。在此,筆者采用三維彈塑性有限元方法對(duì)鋼管的冷軋定徑過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真,詳細(xì)研究了定徑機(jī)理并分析了各參數(shù)間的關(guān)系。研究借助大型有限元軟件ANSYS 來進(jìn)行 。

針對(duì)典型尺寸的鋼管,通過改變相關(guān)參數(shù),仿真分析了軋輥壓下量,摩擦系數(shù)和鋼管壁厚等參數(shù)與軋制力的關(guān)系;定徑過程中,咬入和穩(wěn)定軋制時(shí)鋼管內(nèi)應(yīng)力- 應(yīng)變的變化規(guī)律;鋼管內(nèi)金屬的流動(dòng)和彈復(fù)行為等。

壁厚為22 mm、縮徑量為0135 %、摩擦系數(shù)為015 時(shí),鋼管拋出前的典型應(yīng)力2應(yīng)變?cè)茍D。可直觀地看出:在定徑過程中,由于加力方向及水平輥和垂直輥之間“間隙”的存在,金屬的周向流動(dòng)主要流向兩輥的交界處。,軋輥壓下后,鋼管內(nèi)應(yīng)力達(dá)到了屈服極限,所以鋼管通過軋輥后即使發(fā)生彈復(fù),但仍存在塑性應(yīng)變,可起到縮徑作用。

鋼管通過軋輥彈復(fù)后外表面沿圓周方向的位移分布。其中,表明鋼管通過軋輥彈復(fù)后,前端面最外緣。鋼管通過軋輥彈復(fù)后,前端面最外緣上節(jié)點(diǎn)在x 方向的位移曲線。可見位移變化不均勻。

縮徑量為0135 %、摩擦系數(shù)為015 時(shí),軋制力與鋼管壁厚的關(guān)系。壁厚為22 mm ,摩擦系數(shù)為015 時(shí),軋制力與軋輥壓下量(縮徑量) 的關(guān)系?？s徑量為0135 % ,鋼管壁厚為22 mm時(shí),軋制力與摩擦系數(shù)的關(guān)系。這里參數(shù)為兩個(gè)階段中兩個(gè)隨機(jī)時(shí)刻。

可以得出,無論是垂直軋制力還是水平軋制力,隨壁厚和縮徑量的增大均為遞增趨勢(shì),且咬入時(shí)軋制力最小,逐漸增大。穩(wěn)定軋制時(shí)軋制力最大并趨于平穩(wěn)。由于壓下量和壁厚較小,軋制力和壁厚基本上呈線性關(guān)系。另外,咬入時(shí)軋制力隨摩擦系數(shù)增加而增大,穩(wěn)定軋制時(shí)軋制力基本不受摩擦系數(shù)的影響。

苗木規(guī)格表示方法國家沒有統(tǒng)一規(guī)定，同一（樹）苗木即可用米徑也可用胸徑表示其相應(yīng)規(guī)格。具體事項(xiàng)應(yīng)由樹（苗）木供應(yīng)雙方事先協(xié)商，達(dá)成共識(shí)。2100433B

中文名稱

定徑清管器

英文名稱

gauging pig

定　　義

用于檢查施工或作業(yè)中管道內(nèi)徑是否符合要求的清管器。

應(yīng)用學(xué)科

船舶工程（一級(jí)學(xué)科），海洋油氣開發(fā)工程設(shè)施與設(shè)備（二級(jí)學(xué)科）