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大直径厚壁管预弯工艺研究及模拟

来源:发布日期:2012-10-15作者:
 

新闻内容:

 

   板边预弯作为直缝埋弧焊钢管生产线的主要工序之首,对直缝埋弧焊钢管的质量影响很大。其目的是同时完成钢板两边的弯曲变形,使钢板两边的弯曲半径达到或接近所需钢管的半径,从而保证钢管开口区域的几何形状和尺寸精度。早期的直缝埋弧焊钢管生产中没有预弯工艺,至60年代在美国的麦基波特厂部分机组才出现预弯技术,70年代预弯技术在世界范围内得到极大重视和发展[1]。钢板的预弯分辊式预弯和模压式预弯两种。辊式预弯属于早期的预弯工艺,适用于薄钢板,模压式预弯属于后来发展的较先进的预弯技术,可用于厚板的弯曲成型,现今的JCOE和UOE直缝埋弧焊管生产中普遍采用模压式预弯技术。该工艺可得到十分理想的板边形状,有效防止成型后的管筒呈尖嘴“桃形”和扩径时开裂[2]。本文利用MSC.MARC软件的回弹计算技术,对模压式预弯工艺进行数值模拟,合理选择模具形状、预弯卷角、预弯长度等,从而保证直缝埋弧焊接钢管的预弯质量。
  
  1模压式预弯工艺方案
  
  模压式预弯,是采用两套模具同时对钢板的两边进行加压从而使钢板弯曲得到所需弧度。操作步骤为:根据钢板宽度调整模具位置,钢板放置入上下模间,上模固定,两压力机下模同时上顶进行折弯,待两下模下降、钢板送入又一步长后,重复以上过程直至钢板两边同时完成预弯。
  
  由于模具的对称性,故选取一边详细分析模具形状。上模和下模均采用优化的渐开线形状,而非简单的标准圆的一段。因为越靠近板边处曲率变化越大,回弹量也相应增大。为了最终得到标准的圆管,模具的弧线从左到右必须有个半径渐渐增大的趋势,A点即为渐开线终点。其中下模的基圆半径比上模大,上模的曲率半径比下模大。钢板从A点开始逐渐变形,变形处的曲率半径减小,力臂逐渐缩短,机器的压制力逐渐增大。当力臂减小到一倍板厚(即到达C点)时,变形结束。此时,压制力最大,预弯宽度为B,预弯角度为α。
  
  2数值模拟
  
  为了便于对板料弯曲过程中的应力应变以及对回弹前后应力的变化进行分析,利用MSC.MARC软件对预弯变形进行精确模拟。
  
  2.1模拟参数设置
  
  采用简化的上模和下模。材料选择第一代管线系列钢X52级(相当于日本TS52K钢),其力学性能参数如。
  
  2.2网格划分要点
  
  由模具特点和金属流动规律可知,钢板由右至左变形程度是逐渐增大的,为了模拟结果的精确,因此网格划分中设置u方向的偏转系数(-0.2),使得网格由右至左逐渐由疏至密。另外,由于此变形属于大变形,网格到后来变形严重,初始预定的网格划分很难适应在不同时间点上变量的空间分布变化,为了以合理的计算成本获得精度较高的分析结果,采用网格自适应有效的加密接触区网格。
  
  2.3应力分析
  
  上述变形过程中,横截面上不受剪力和弯矩,在纵截面上受始终垂直于中性层的弯矩作用,属于纯弯曲梁变形。随着变形的进行,以纵向中性层为分界,上部纵向纤维缩短,下部纵向纤维伸长。在应力上表现为上部受压应力,数值呈负值;下部受拉应力,数值呈正值,所示。当下模上行到最高点时,机器压制力达到最大值,等效应力也达到最大,其分布从右至左逐渐增大,下模撤回后,板料回弹同时伴随应力释放,板料自由端回弹最大,应力几乎释放到零。