（材料加工工程专业论文）螺旋盘管的工艺研究及数值模拟.pdf

摘要 摘要 螺旋盘管一般采用绕弯、滚弯、中频感应加热弯曲和火焰加热弯曲的 成形工艺加工制造。由于在设计制造过程中多凭借经验，导致生产率低、 生产成本高、成品件质量差等问题，而且一直没能得到很好解决。在此工 业背景下，本文采用计算机数值模拟方法，研究螺旋盘管滚弯成形技术， 以期进一步降低生产成本，提高螺旋盘管成形质量。 为了得到空间弯曲件成形特点和变形规律，本文对螺旋盘管滚弯成形 过程进行了分析研究，建立了空间弯曲成形的理论模型。依据三维弹塑性 大变形动态分析理论，以大型商用有限元软件a n s y s l s d y n a 为分析工 具，对弯曲成形过程中的边界条件进行了合理处理，实现了成形辊轮在空 间位置的自由移动和转动，建立了螺旋盘管滚弯成形的有限元模型。通过 螺旋盘管滚弯成形过程的数值模拟，解决了其成形过程中的稳定性问题， 分析了螺旋盘管成形时断面壁厚、成形速度以及成形力的变化规律。通过 对不同典型工况下的有限元分析，获得了压下轮压下量、理论成形速度、 管径、管壁厚度、理论成形半径、成形辊轮半径对螺旋盘管成形质量、成 形速度和成形力的影响规律。其研究结果对螺旋盘管空间弯曲成形理论的 建立和成形工艺的制定具有指导意义。 关键词螺旋盘管；空间弯曲；滚弯成形；数值模拟；a n s y s l s d y n a 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y st h es p i r a l t u b ef i r e g e n e r a l l yp r o d u c e db ym a n u f a c t u r i n g p r o c e s s i n gt e c h n i q u ew h i c hi sc o i l i n gb e n d i n g ，r o l l i n gb e n d i n g ，i n t e r m e d i a t e f r e q u e n c yi n f l u e n c eh e a t i n gb e n d i n go r f l a m e h e a t i n gb e n d i n g d u et o t h e e x p e r i e n c ei sa d o p t e di nd e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n g ，m a n yp r o b l e m s ，s u c ha s l o w e rp r o d u c t i v i t y , h i g hc o s t ，l o wq u a l i t yo fp r o d u c ta n ds oo n ，a r e n ts t i l l s o l v e dp e r f e c t l y s ob a s e do nt h e s ei n d u s t r i a ls t a t u s e si nt h i sp a p e r , t h r o u g ht h e n t t m e r i c a ls i m u l 砒i o nm e t h o d ，t h er o l l i n gb e n d i n gt e c h n i q u eh a sb e e nr e s e a r c h e d i ns p i r a lt u b ef o r m i n gp r o c e s s i n g ，i no r d e rt or e d u c ec o s t sa n di n c r e a s ep r o d u c t q u a l i t i e sf u r t h e r f o rg e t t i n gd e f o r m i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dr u l e so fs p a c eb e n d i n gp a r t s ，t h e r o l l i n gb e n d i n gt e c h n i q u eo fs p i r a lt u b eh a sb e e na n a l y z e da n dr e s e a r c h e d ，a n d t h et h e o r ym o d e lo fs p a c eb e n d i n gd e f o r m i n gh a ss e t u p a c c o r d i n gt o t h r e e d i m e n s i o n ( 3 d ) e l a s t i c - p l a s t i cd y n a m i ca n a l y t i c a lt h e o r y , t h e b o r d e r c o n d i t i o n sh a v eb e e nd e a l tw i t hi nt h eb e n d i n gf o r m i n gp r o c e s so f t h es p i r a lt u b e r a t i o n a l l y , m o v i n ga n dr o t a t i n go fr o l l e r sh a v eb e e nr e a l i z e df r e e l yi ns p a c e ，t h e f i n i t ee l e m e n tm o d e l ( f e m ) h a sb e e ne s t a b l i s h e du s i n gc o m m e r c i a lf e m a n a l y s i ss o i h f i r ea n s y s l s d y n a t h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nt h e s p i r a lt u b er o l l i n gb e n d i n gf o r m i n gp r o c e s s ，t h es t a b i l i t yo fp l a s t i cd e f o r m a t i o n r e g i o nw a sr e s o l v e d ，a n dt h ev a r i a t i o n a lr u l e so ft h i c k n e s so nc r o s ss e c t i o n ， f o r m i n gv e l o c i t ya n dd e f o r m i n gf o r c ei s r e s e a r c h e d a f t e rd i f f e r e n tf o r m i n g c o n d i t i o n sa r ea n a l y z e d ，t h ei n f l u e n c eb e t w e e nf e e do fp r e s s e dr o l l e r , t h e o r e t i c a l f o r m i n gv e l o c i t y , p i p ed i a m e t e r , p i p et h i c k n e s s ，t h e o r e t i c a lf o r m i n gr a d i u s ，a n d r o l l e rr a d i u sw i t hf o r m i n gq u a l i t i e so fs p i r a lt u b e ，f o r m i n gv e l o c i t ya n d d e f o r m i n gf o r c ew e r eo b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l t ，t h et h e o r yi s s e t - u pa n df o r m i n gp r o c e s s i n gt e c h n i q u ei se s t a b l i s h e di nt h es p a c eb e n d i n g l i a b s t r a c t p r o c e s s e so fs p i r a lt u b e k e y w o r d ss p i r a lt u b e ；s p a c eb e n d i n g ；b e n d i n gr o l lf o r m i n g ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；a n s y s l s d y n a i i i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文螺旋盘管的工艺研究及 数值模拟，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人 已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字：互0 衣 日期：芦印年j 月用 燕山大学硕士学位论文使用授权书 螺旋盘管的工艺研究及数值模拟系本人在燕山大学攻读硕士学位 期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所 有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解燕山大 学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文 的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以 采用影印、缩印或其它复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内 容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名 导师签名 日期：乒年j 月，r 曰枷5 哆剐日 匆 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景 螺旋盘管作为环形件的特殊产品，因其具有换热面积大、换热效率高 的特点，在石油、化工、冶金、建筑、造船、城市集中供热、空调、热水 供应系统、洗涤机械的蒸馏冷凝器和溶剂冷却器等领域的应用十分广泛。 螺旋盘管与光管相比，传热面积是光管的2 5 5 倍，传热能力提高3 0 4 0 。 由于其本身所具有的特点和规律尚未完全被人们掌握和认识，目前我国仍以 小批量生产方式为主，尚未形成较大规模的高效生产模式。 螺旋盘管的生产方法普遍采用绕弯、滚弯、中频感应加热弯曲和火焰 加热弯曲等成形工艺加工制造。螺旋盘管的绕弯相对其他的成形工艺来说， 成形装备制造成本较低，调节使用方便，螺距控制容易，但管材弯曲后的 横断面形状和壁厚变化很大，不同曲率半径和管径的螺旋盘管需不同的模 具，从而增加了绕弯成形的制造成本。螺旋盘管的滚弯可以通过改变弯曲 辊轮的径向位置和弯曲辊轮与驱动轮的轴向位置，得到定弯曲半径和螺 距的螺旋盘管，但弯曲半径有一定限制，仅适用于曲率半径要求很大的厚 壁管【1 1 ，而且弯曲半径和螺距极不容易控制。中频弯管和火焰弯管是一种加 热、弯曲及冷却连续进行的弯曲过程，属于热弯工艺。中频弯管是将中频 感应圈套在管坯上，依靠中频感应电流，将管坯局部加热到所需温度，随 即对加热部分进行弯曲，并在弯曲后紧接着喷水冷却，从而获得所需的弯 管件。中频弯管不需要模具，只要按不同的管径配置相应的感应圈即可， 弯管成形质量好，椭圆度和壁厚减薄量都比冷弯管小，弯曲半径和螺距调 整方便，适应性强。但中频感应机组耗电量大，设备投资也较大。故中频 弯管特别适用于弯制单个或小批量的大直径螺旋盘管，因不需模具，故制 造成本低。火焰弯管的原理与中频弯管相同，它是用火焰加热圈来代替中 频感应圈加热管坯，而省掉了中频感应机组。火焰弯管机的结构简单，造 价较低，维修容易，并能保证较好的弯管质量。但由于火焰加热效率不高， 燕山大学工学硕士学位论文 故仅适用于弯制薄壁螺旋盘管川。由于绕弯、滚弯、中频感应加热弯曲和火 焰加热弯曲的加工工艺特点，限制了其在螺旋盘管中的应用。因此，研究 螺旋盘管高效成形技术，迸一步降低生产成本，提高螺旋盘管的质量，仍 然是发展螺旋盘管高效生产的前沿技术。 随着科学技术和工业生产的不断发展，对螺旋盘管提出了更高的要求。 譬如高压、高精度、高寿命。单纯依靠经验和不断的实践来进行螺旋盘管 机的设计和螺旋盘管工艺参数的选择，解决螺旋盘管制造过程中出现的新 问题、新情况，已明显不适应经济发展的要求。运用计算机辅助设计( c a d ) 和计算机辅助工程( c a e ) ，进行螺旋盘管设备和螺旋盘管工艺参数的优化已 势在必行。 螺旋盘管属于三维弹塑性大变形问题，是横、纵向弹性拉压和轴向弹 塑性弯曲综合作用变形的结果。在成形过程中，同时受到外部边界摩擦、 孔型几何约束、材料本身的加工硬化，材料断面壁厚分布不均等影响，使 变形状态发生改变，引起螺旋盘管横、纵向扭曲与轴向拉伸和压缩。因此， 研究上述各种影响因素及其相互关系是精确分析金属三维变形的关键。而 且目前国内对螺旋盘管成形过程进行连续模拟分析还很少，因此研究其成 形规律，无论在理论上还是在实际生产中，都有很高的实用价值。 螺旋盘管成形过程十分复杂，单纯用一个数学模型难以描述。近年来， 随着计算机软、硬件技术的快速发展，有限元法的理论和应用都得到了迅 速发展。有限元法作为一个具有坚实理论基础和广泛应用效力的数值分析 工具，在金属变形研究领域得到了越来越广泛的应用。计算机数值模拟本 质上可以通过虚拟试验现实，将大量反复的试验工作在计算机上完成。数值 模拟结果可以为工程设计、质量控制、失效分析提供有价值的参考与预测。 针对上述问题，本文在对螺旋盘管成形工艺进行深入分析的基础上， 采用三维大变形有限元法，根据实际生产的真实条件，模拟研究螺旋盘管 的三维变形过程，系统的分析应力应变变化情况及成形工艺参数对螺旋盘 管质量的影响，进而提出一种精确有效的分析方法，为滚弯成形过程研究、 滚弯成形工艺制定及滚弯设备设计提供依据，推动滚弯成形技术研究的进 步。 2 第1 章绪论 1 2 螺旋盘管成形研究进展 螺旋盘管为管材的空间弯曲成形件。在管材弯曲过程中，外侧壁的减 薄、破裂，内侧壁的增厚、起皱和断面扁化及其演化过程，以及卸载后的 回弹及其控制，一直是包括管材弯曲成形在内的工程界未能有效解决的技 术难题，也是当今国内外塑性加工学科研究的难点和热点。针对管材弯曲 过程，国内外研究者和工程技术人员主要从理沦分析、实验研究、有限元 数值模拟等方面开展研究【2 。 1 2 1 管材弯曲成形的理论研究 管材弯曲成形的理论研究是板材弯曲成形领域研究较少的分支之一， 一直沿用的是板材弯曲和梁弯曲的理论。近年来，对管材弯曲成形的理论 研究逐步展开，其对实践的指导作用也逐步受到重视。对管材弯曲成形的 理论分析主要集中在如下几方面：回弹分析，起皱预测和破裂分析，对断 面扁化、壁厚变化、中性层偏移和纵向伸长的分析，以及对管材弯曲过程 的力学分析及弯矩分析。 1 2 1 1管材弯曲卸载后的回弹分析胡忠【3 ，4 培于平截面假设，对中频感 应局部加热弯管过程进行了力学分析，结合m i s e s 屈服准则获得了加载过 程中的轴力和弯矩，然后基于反向原则获得卸载时的应变中性层偏移角、 卸载比例常数和回弹角。该模型针对中频感应局部加热2 0 、1 2 c r m 0 9 1 0 和 1 2 c r l m o v 三种厚壁管材的大直径弯曲过程建立，其本构关系假设为理想刚 塑性，并且在分析过程中，作者将未参与弯曲变形的前夹头至管材弯曲部 分的直管段和前导辊至塑性变形区的直管段也采用与弯曲段同样的求解方 法，因此其适用性和精度受到一定限制。张旭光【5 】采用与文献 3 ，4 类似的方 法，建立了数控弯管的弯曲段回弹预测模型，由于直线段的变形较小，因 此采用梁弯曲理论建立其回弹模型，这种针对直线段和弯曲段建立不同的 回弹预测模型的方法较接近实际。 刘志刚等【6 j 鉴于常用的确定管材弯曲回弹计算公式方法的缺点，即首先 假设为直线型，但往往经试弯补偿修正后便又失去其原定的线性关系。为 此，他们依据恒力场理论和弹性极限回弹理论，提出了分段曲线型和折线 气 燕山大学工学硕士学位论文 型的回弹角计算公式，这对于解决锅炉行业中的“s ”型厚壁管件弯曲卸载 后的回弹问题起到了较好的作用。 a 1 一q u r e s h ih a 【7 1 基于平面应变条件，将圆管视为空心梁，采用梁弯曲 理论对圆管材弯曲进行了弹塑性分析，提供了一个预测管材弯曲回弹半径 和残余应力的方法。在分析过程中还假设材料为理想弹塑性，横截面上具 有一与外载荷平面垂直的对称轴，忽略起皱和破裂以及包辛格效应。该方 法完全忽略了不同弯曲方式的加载条件和边界条件，以及截面畸变和中性 层偏移等，仅从管截面上的弹塑性应力分布出发进行分析，因此针对性不 强，并且获得的是卸载前后的弯曲曲率半径间的关系以及残余应力，未求 出回弹角。 p a nk 和s t e l s o nk a t 卅考虑几何和材料非线性，通过最小能量原理获得 了管材弯曲后的位移场和截面转动惯量，该转动惯量是基于弯曲变形后考 虑了断面扁化和壁厚变化的断面形状而得到的，因而有助于提高回弹预测 的精度。 m i l l e rje 等【9 】人假设管形状和载荷沿长度方向不变，描述了一个适用 于挤压铝合金矩形管拉弯的二维模型：取与具有恒定曲率半径k 的刚性模 ，n 具表面相接触的单位长度的管件为研究对象，其上作用有轴向拉力和内部 压力p ，通过调整3 个加载参数增量a k 、a t 和a p 符合设定的加载历史， 从而使该管件成形。其中，弯曲模由开始的平面逐步变为最后所要求的曲 率半径为p 的曲面。采用该模型，研究了加载路径和拉、压力对回弹的影 响。 1 2 1 2 管材弯曲过程中的起皱和破裂分析文献 1 0 ，1 l 】基于小应变假设 和板壳理论，采用分叉理论对圆管纯弯曲过程中的起皱进行了预测，所得 结果与实验吻合良好，但存在的问题是预测出的起皱波长较试验中的明显 长。为了明确该误差是由于小应变假设还是板壳理论所引起，r a l fp e e k 2 j 基于有限应变理论，对圆管纯弯曲过程中的起皱进行分析。采用该方法所 预测的i 缶界皱曲波长比文献【1 1 6 f l 的短，特别是当彰越小时，因此该方法 4 第1 章绪论 的预测精度较文献 1 1 中有所提高，但是与实验中所观测到的明显更短的波 长还是存在较大差异。原因可能是材料在非比例加载过程中的反映与塑性 变形和流动理论的理想化存在较大的差别。 f r o d ep a u l s e n 和t o r g e l rw e l o 等 1 3 , 1 4 1 基于能量法提出了预测单、双室矩 形管纯弯曲过程中断面变形的解析模型，其中采用的波形函数考虑了相邻 构件的约束效应。该方法提供的是一个预测断面变形的显式算法，包括起 皱前、起皱发生、后起皱( 屈曲) 以及弯曲变形的各个阶段。研究表明：拉伸 区的拉裂与几何参数密切相关，特别是翼板宽度；宽厚比是引起内侧压缩 区起皱的主要因素；材料的应变硬化指数对起皱的发生和后屈曲变形具有 很大的影响：起皱发生后继续弯曲。内侧压缩区的波纹变形较外侧拉伸区 的均匀变形发展迅速。 日本学者吉r = i 正敏等【l5 j 对挤压矩形截面铝合金管材无芯绕弯过程中压 缩区的起皱和拉伸区的应变进行了理论预测。其原理是将型材假设为边界 受约束板单元的集合体，通过采用能量法对各板单元的塑性失稳分析获得 压缩区的起皱临界应力和皱曲波长以及拉伸区的应变。研究表明，无量纲 起皱波纹的高度与无量纲的弯曲半径、宽厚比、弹性极限应力和硬化指数 有关；波纹高度随硬化指数的增大和弹性极限应力的降低而减小。采用同 样的方法，他们还对矩形截面铝合金管材无芯绕弯过程中的起皱极限弯曲 半径进行了预测【i 们。研究表明无量纲起皱极限弯曲半径与各板单元的弹 性失稳系数和宽厚比有关。 林艳【l7 】根据薄壁管材弯曲起皱实际波形的几何特点，建立了描述薄壁 管材弯曲失稳起皱波形的数学模型，进而基于小挠度弯曲理论、薄壳理论 和最小能量原理建立了采用塑性变形能与起皱能比值来预测薄壁管数控弯 曲过程中起皱的能量准则。 1 2 1 3 管材弯曲过程中的断面变形和纵向伸长分析j u n i c h ie n d o w 、 t a d a om u r o f a t l 8 】基于能量原理和h i l l 塑性各向异性原理，从理论上近似分析 了材料特性对圆管均匀弯曲过程中断面扁化的影响：断面扁化随硬化指数 的增大而增大，随纵向试样的厚向异性指数的增大和横向试样的厚向异性 指数的减小而增大。 燕山大学工学硕士学位论文 s t a c h o w i c zf c l 9 鉴于弯曲后管材外侧拉伸区的变形较内侧压缩区的大， 特别是轴向助推力的作用造成应力外移而不对称时尤其明显，即管材弯曲 后的断面形状与椭圆有较大差别的前提下，提出采用一个扁化因子和中性 层移动量分别用于衡量管材断面的扁化和中性层的移动，并通过理论解析 获得了扁化因子和中性层偏移量的表达式。 文献【2 0 】首先基于最大剪应力理论和塑性流动理论获得了管材弯曲的 应力应变表达式，以此为基础，推导了内外侧壁厚、管直径的收缩、中性 层的偏移、断面的扁化及管材备料长度的表达式。由于该分析推导过程中 的大量简化和假设，因此其精度不高，且适用性也受到一定的限制。 m i l l e rje 等【1o j 人基于前述模具由平面变为曲面的弯曲变形理论的假 设，建立铝材矩形管拉弯的模型，研究了加载路径和拉、压力对断面变形 和净伸长的影响。 1 2 1 4 管材弯曲过程中的力能分析文献 2 1 】将加热的管材假设为刚塑 性体，并认为温度沿厚度方向均匀分布，断面平均直径不变的前提下，采 用弹塑性梁弯曲理论对高频感应加热大直径碳管材弯曲过程进行了力学分 析，在考虑壁厚变化的前提下，获得转臂上无阻力矩作用时的弯曲轴力的 表达式。 文献 7 】中采用上限元法对采用橡胶弹性芯棒的管材推弯过程进行了分 析，获得了所需的弯曲载荷。 s t a c h o w i c z f 2 0 l 基于管材弯曲过程中的应力表达式，积分获得了铜管材 弯曲过程中弯矩与曲率的关系，并研究了轴向助推力对弯矩的影响。文献 2 1 】 在基于塑性变形理论所获得的应力表达式的基础上，采用与文献【2 0 】相同的 方法，获得了管材弯皓过程中的弯矩。 上述对管材弯曲过程分析所采用的理论包括：梁弯曲理论、有限应变 理论、板壳理论、能量原理、分叉理论以及假设将模具由平面变为曲面的 弯曲变形理论。由于影响管材弯曲成形的因素多而复杂，上述分析均建立 在大量假设基础上。这些基本假设包括，平断面假设，材料匀质，各向同 性假设和体积不变假设 2 2 , 2 3 。因此，通过理论解析对管材弯曲过程进行定 性分析是可行的，定量分析的精度则有限，但仍可为生产实际和数值模拟 6 第1 苹绪论 分析提供一些先期指导作用。 1 2 2 管材弯曲过程的实验研究 实验研究是管材弯曲研究中的一个重要组成部分。不但可以验证各种 管材弯曲理论及有限元模拟结果的有效性，而且还可进一步研究各种因素 对管材弯曲成形的影响规律。 实验过程中常用的方法有回归分析法和坐标网格法。例如余方勤等和 胡勇等分别采用回归分析方法，通过对大量试验数据的分析总结，获得了 圆管无芯弯曲壁厚减薄量的公式 2 4 】和圆管弯曲回弹及净伸长与弯曲角之问 的关系表达式【2 ”。文献 2 6 ，2 7 中，通过坐标网格法，分析了牛角芯棒热推 弯管过程中的瞬时应力、应变状态及其演化过程和该弯管成形时的受力、 变形特点，并认为牛角芯棒热推弯管过程是简单加载、比例变形过程，环 向各部位金属始终处于纯剪切状态，因而可采用全量理论进行分析。 a 1 q u r e s h ih a 和r u s s oa 【2 即采用坐标变形试验法分析了铝合金管数控弯曲 过程的轴向和周向应力分布特征，以及卸载前后的回弹曲率半径比和卸载 后的残余应力，并与文献 7 中理论分析的结果进行了对比，结果吻合较好， 但是由于理论分析中忽略了加载条件和边界条件，因而难以保证理论分析 和实验研究条件的一致性。 文献 2 9 1 q b 对铝合金矩形断面管拉弯过程进行了研究，分析了摩擦、拉 力和压力对断面扁化、回弹和净伸长的影响，目的在于避免起皱，又能将 断面扁化和回弹减少到最小，从而获得最佳加载路径。 针对管材四点均匀弯曲过程，文献 3 0 ，3 1 进行了相关的试验研究。其 中，文献 3 1 】对复合管( 软铝、硬铝、铜) 四点均匀弯曲过程中的断面扁化、 回弹和弯矩进行了实验研究。而文献 3 2 则采用自主研发的可实现均匀弯曲 的四点弯曲机研究了方形薄壁管纯弯过程中的大变形，获得了弯矩转角关 系以及极限弯矩。 f r o d ep a u l s e n 和t o r g e i rw e l o l 3 2 l 对3 种壁厚的单、双室铝合金a 6 0 6 0 挤压管材纯弯曲过程中的横截面变形进行了实验研究。结果表明：弯曲开 始阶段沿整个管长出现均匀凹陷的断面扁化形式，直到内侧压缩区起皱至 7 燕山大学工学硕士学位论文 几个波纹；影响起皱l 临界点的主要因素有翼板的宽厚比和材料的应变强化 特性：而预变形和后变形的程度却直接与翼板的实际宽度有关而不跟其宽 厚比有关。起皱发生后，随着弯曲过程的继续进行，材料的应力应变关系 对断面扁化的影响逐渐增大，对低硬化材料，断面的集中变形更剧烈。 坂木修次和藤院琢磨等口3 对铝合金a 6 0 6 3 s o 和a 6 0 6 1 s o 方管绕弯过 程的变形和成形极限进行了实验研究，主要研究刚性弧式芯棒在抑制起皱 和断面扁化、提高成形极限方面的作用，结果表明断面的扁化主要表现为 受拉侧及受压侧翼板的塌陷和侧壁处辐板的膨大。村田真和横内康人等3 4 1 对圆管无芯绕弯过程进行了实验研究，并与压缩弯曲进行了比较。研究表 明：绕弯的成形极限较压弯的大，绕弯过程中易于出现起皱和颈缩，而压 弯过程中则主要是起皱；在绕弯过程中，回弹与弯曲半径无关，而压弯过 程中，回弹随弯曲半径增大而增加；在绕弯过程中，扁化因予以及最大和 最小壁厚差随壁厚和弯曲半径增大而增大。 锄本己信和田口裕一等p 卸对6 0 6 3 铝合金圆管绕弯过程中的断面变形 ( 壁厚变化和断面扁化) 进行了实验研究。研究表明：助推速度的影响最大， 压块力和弯曲速度影响较小，夹块力和助推力几乎无影响。 实验虽然是研究管材弯曲的一种重要手段，但这种方法建立在大量的 试验基础上，而且还需经生产条件下的反复试错才能实现，因而浪费大量 人力、物力和财力，而且设计生产周期长，难以满足批量生产以及快速转 化的要求。 1 2 3 管材弯曲过程的有限元数值模拟研究 有限元法与其它模拟方法相比，模拟精度高，信息丰富，并能考虑多 因素的影响，是一种可靠性高的数值分析方法，适用于对成形过程的精确 模拟。近年来，随着计算机技术和有限元技术的逐步发展，有限元法在管 材塑性弯曲成形中逐步得到应用。 对管材弯曲成形过程的模拟方法之一是采用商用大型有限元软件对成 形过程进行弹塑性分析，常用于管材弯曲成形模拟分析的有限元商用软件 有a n s y s ，m a r c 等。 8 第1 章绪论 胡忠、李家庆1 3 6 , 3 7 】基于a n s y s 软件平台，建立了中频感应局部加热小 弯曲半径厚壁弯管工艺的计算机模拟分析系统，并对相对弯曲半径1 5 的管 材自由推弯和施加反弯矩控制推弯过程进行了分析，获得了壁厚变化率， 断面椭圆率，推力，阻力矩和回弹角随弯曲角度的变化关系，并认为阻力 矩有助于减小壁厚减薄和回弹。在模拟过程中，管坯采用的是三维六面体 等参元，夹头、夹臂、导辊及推臂挡板也采用三维实体单元建模，因此比 较耗时。 文献 3 8 】采用有限元软件a n s y s 对缠绕式厚壁圆管材弯曲工艺进行了 数值模拟分析，获得了外壁减薄率和内壁增厚率、应力应变分布等信息， 并比较了不同的相对弯曲半径对壁厚减薄的影响，认为绕弯工艺不适合弯 制相对弯曲半径小于1 5 7 的管件。在模拟过程中，管坯采用的是三维六面 体等参元，弯曲模和夹块也采用三维实体单元建模，因此也比较耗时，并 且未考虑压块的助推作用和芯棒的作用、工模具间的摩擦以及工模具与管 坯的配合等因素的影响，因此所得结果缺乏一般适应性。 w e l ot 和p a u l s e nf 等【3 9 i 采用有限元软件a n s y s 5 0 分析了铝合金单双 室矩形管的绕弯过程，研究了弯曲半径和摩擦对外侧翼板的塌陷和回弹的 影响，模拟过程中认为压块随管坯以相同速度运动，二者之间无摩擦，这 与实际的管材弯曲过程差别较大。他们还采用有限元软件m a r c 5 2 对挤压 铝合金单、双室矩形管绕弯和拉弯过程进行了三维弹塑性数值模拟 4 0 l ，研 究了材料、工艺及模具参数对成形过程的影响，其中弯曲模的转动是通过 嵌入作者自编的程序实现的。结果表明，采用内部芯棒能有效地防止起皱 的波纹高度和外侧翼板的塌陷，翼板的等效宽厚比是影响截面局部变形程 度的重要因素，采用预拉工艺能减少起皱和回弹，减小应变硬化指数和增 大轴向力有助于回弹的减小。模拟过程中，管坯采用的是计算效率较低的 八节点六面体单元，并且为提高该单元的弯曲性能，还采用了假设应变公 式，这又进一步降低了计算的效率。 y a n gjb 和j e o nbh 等m l 采用软件p a m s t a m p 对一汽车用管材零件 拉杆的绕弯和压弯过程进行了三维弹塑性有限元模拟，获得了断面形状变 化和壁厚变薄率与成形参数之间的关系。模拟过程中采用的是库仑摩擦模 9 燕山大学工学硕士学位论文 型，并将材料视为各向同性。研究发现管材和防皱块之间的间隙是影响起 皱的主要因素，随着弯曲半径的减小，断面扁化和壁厚减薄率将会增大。 另一方面，还有一些学者致力于针对特定的弯曲工艺开发相应的专用 管材弯曲有限元软件进行分析。在开发过程中，为简化起见，一般采用二 维或三维刚塑性有限元法进行分析。 日本学者田中伸司等1 4 2 , 4 3 1 采用二维刚塑性f e m 分析管材绕弯过程。他 们将内部有液压负荷的圆管和方管，采用环状模进行模拟，即将圆管和方 管绕弯过程简化为二维准轴对称问题进行近似三维分析，通过有限元模拟 获得断面形状的变化，研究了液压力对方管和圆管断面形状的影响。 胡福泰 4 4 1 针对局部加热无模弯管过程建立了简化的有限元模型。开发 了相应的可预报管材弯瞌后断面扁化的三维刚塑性有限元程序，但该程序 只适用于局部加热无模弯管的稳态变形阶段。 林制0 7 l 将所建立的薄壁管材弯曲起皱能量预测准则，结合三维刚塑性 有限元数值模拟方法，开发了薄壁管数控弯曲成形过程的起皱数值预测系 统，可实现起皱的快速数值预测。在模拟系统开发过程中，提出了针对薄 壳的相对自由度与绝对自由度相结合的壳单元，便于速度边界条件的处理； 采用了三次因式法确定收敛因子，提高了计算效率，改善了收敛性。采用 该系统研究了铝合金和不锈钢薄壁管数控弯曲成形过程的变形特点，揭示 了不同成形参数对由起皱所决定的管坯最小弯曲半径( 弯曲成形极限) 的影 响规律。 张旭光【5 1 基于三维刚塑性有限元法获得的管数控弯曲加载过程中的场 变量信息，采用所建立的数控弯曲回弹预测模型实现了管材弯曲回弹的快 速预测。 k i myw k i mj i 等 4 5 , 4 6 人考虑塑性硬化和剪切应力的影响，在梁理论 和完全弹塑性材料的基础上，研究了蒸汽发生器螺旋管的回弹规律，获得 了屈服应力、弹性模量、成形半径、管径与螺旋管成形后的回弹量之间的 关系。t a k i z a m ah 4 7 】等人对管材的螺旋滚弯过程进行了有限元分析和实验 研究。 由于刚塑性有限元法较弹塑性有限元法的求解速度快，并且获得的信 1 0 第1 章绪论 息较理论解析的丰富和准确，因此将刚塑性有限元法和理论解析结合起来 对管材弯曲起皱和回弹进行预测是一种可行和可靠的途径。 虽然，目前对管材弯曲成形的数值模拟研究并不完善，主要集中于热 弯、矩形管材弯曲和纯弯曲，并且采用商用软件进行模拟的多，针对圆管 空间弯曲研究的较少，但已显示了无比的优越性和强大的生命力。 1 2 4 管材弯曲工艺及工模具结构的研究与改进 对管材弯曲工艺及工模具结构进行研究和改进，提高弯曲成形精度和 质量一直是工程技术人员所追求的目标。目前这些研究主要局限于工厂的 技术人员针对具体问题的工艺改进，其理论水平和技术含量薄弱，缺少产 学研的共同参与。如：彭临涛【4 8 j 分析了有芯弯管工艺中芯棒的磨损形式， 并从结构及热处理工艺上提出了芯棒的改进措施；李淑珍和郑琳等 4 9 1 从材 料和结构上阐述了大中型不锈钢薄壁管绕弯防皱装置的自主研制过程；李 家兴 s o l 介绍了冷顶推弯管的工艺参数及模具设计方法。 近年来，计算机辅助工艺设计在管材弯曲中的应用也得到逐步展开。 j i nz 和l u os 掣5 i j 采用面向对象的程序设计方法，开发了一个基于知识的 弯管辅助工艺设计系统，包括弯曲方式的选择，工、模具设计，过程参数 设置等。该系统几乎完全依赖经验公式，仅仅是经验公式的计算机化，缺 乏理论依据，设计结果可靠性低，一般需在试模后才能确定设计成功与否。 这与具有变形预报和验证模型、可以在设计阶段对设计结果进行检验及修 改的计算机辅助工艺设计系统还有较大的距离。 1 2 5 辊式冷弯成形理论发展概况 辊式冷弯成形过程从力学上表现为管材在横、纵向弹性拉压和轴向弹 塑性弯曲变形，由于孔型施加的载荷使管材弯曲变形的同时，还引起轴向 扭转和大位移。因此，辊式冷弯成形过程实质上是管材的纵横向的弹塑性 变形与轴向大位移的复杂问题，而且成形辊与坯料的接触边界也非常复杂。 随着研究的深入，成形理论有了很大的进展，有很多算法被用来求解辊式 成形问题，但还没有一种数值解析方法能精确的分析这个过程。 燕山大学工学硕士学位论文 在辊弯成形方面，日本学者木内学 5 2 , 5 3 1 、小野田羲富【5 4 】等对v 型材、 圆管和波形板的成形做了数值模拟；法国g n e f u s s l l 5 5 1 教授也对弹塑性材 料的冷弯成形过程进行了模拟分析。前苏联学者r h 古思等【5 6 】早在1 9 6 2 年就用能量方法分析了角材的连续弯曲。国内燕山大学的刘才教授和他的 博士生徐树成、韩志武采用有限条法对辊弯一次成形和二次成形过程进行 了模拟分析 5 7 , 5 8 l 。这些研究工作为以后的辊式成形理论研究提供了宝贵的 资料。辊式成形的分析方法大致可分为三种：简化解析法，有限条法和有 限元分析法。 综上，目前针对管材弯曲成形从理论、实验方面着手研究的较多，基 于数值模拟研究的较少；针对加热弯曲成形研究的多，而对冷弯成形研究 的少；针对矩形管弯曲研究的多，针对圆管弯曲研究的少；研究纯弯和均 匀弯曲的多，针对先进而复杂的空间弯管工艺开展的研究不多。相关报道 较少。由于影响管材弯曲的因素多而复杂，因素之间还存在耦合关系，再 加之产品品种繁多，因此理论解析十分困难，长期依靠设计者的经验和反 复试制。对管材弯曲的计算机辅助设计尚处于初级阶段，大多仅仅是经验 公式计算机化的工作，可靠性低。而将有限元法这种解决工程技术问题的 可靠工具引入管材弯曲的研究，可以高效准确地分析成形过程、检验工模 具模型、设计结果，大大降低工模具设计成本和风险。因此，采用有限元 法模拟管材弯曲成形过程，并与计算机辅助工艺设计相结合构筑基于理论、 经验和数值模拟的稳健计算机辅助专家系统是管材弯曲研究发展的趋势。 1 3 研究方法及内容 目前冷弯成形理论研究的进展比较缓慢，辊式成形金属变形行为的研 究尚不完善，还不能很好的解决生产和设计中遇到的问题。随着计算机应 用的广泛和深入，辊式成形正朝着c a d c a m 的方向发展，目的在于寻找 生产合格产品的最佳方案。这就要求深入研究辊式冷弯成形中力学及三维 变形特性的材料性质、工件和工具的几何尺寸及外部环境等因素对成形过 程及产品质量的影响，否则就不能合理的进行工艺和成形设备的设计，亦 无法预测和防止型材的成形缺陷，因此研究辊式成形的力学特性，特别是 1 2 第1 章绪论 管材辊式弯曲成形的力学特征对生产实际有很大的指导意义。 由于螺旋盘管弯曲成形过程中存在中性层偏移、断面形状改变以及弹 性回复等关键理论问题尚未得到深入研究，如果用大量的试验数据确定成 形过程的工艺参数，增加了产品开发的周期，同时也会产生较大试验消耗。 为此，本课题以有限元分析软件a n s y s l s d y n a 为主要开发工具，以螺 旋盘管滚弯成形过程金属三维变形和螺旋盘管质量控制为对象，建立相关 理论模型和有限元模型，对螺旋盘管工艺以及主要影响因素进行研究，解 决螺旋盘管成形过程中的关键问题。 本文的主要研究内容有： ( 1 ) 系统研究金属流动理论，分析螺旋盘管成形特点，建立与实际变形 过程相似的分析模型，实现螺旋盘管成形过程的模拟； ( 2 ) 研究螺旋盘管成形过程中中性层偏移规律、断面形状变形规律； ( 3 ) 研究工艺参数对螺旋盘管成形质量、成形速度和成形力的影响规律。 1 3 燕山大学上学硕士学位论文 第2 章螺旋盘管滚弯成形规律的研究 管材弯曲的方法很多。按弯曲方式可分为绕弯、推弯、压弯和滚弯； 按弯曲是否加热可分为冷弯和热弯；按弯曲时有无支撑物可分为有芯f 填料1 弯管和无芯( 填料) 弯管。一般说来，对于生产批量不大且具有一定长度的弯 管件，在无专用弯管设备的情况下，可利用简单的弯管装置进行手工绕弯； 而当生产批量较大时，应在专用弯管设备上绕弯。对于生产中最为常见的 管弯头，一般均用模具压弯或推弯。为了提高管材的可塑性，以便获得较 大的变形程度，通常应采用加热弯曲，例如热压弯头、芯棒式热推弯头以 及中频感应电热弯管和火焰加热弯管等。为了减少弯管断面的扁化，往往 需在管内充填填料或芯棒后进行弯益。对于曲率半径要求大的厚壁管件， 尤其是要求弯制成环形或螺旋线形的管件，在生产中采用滚弯成形特别适 合。本文研究的是螺旋盘管的滚弯成形。滚弯是用三个驱动辊轮对管材进 行弯曲加工，其滚弯方法及滚弯机工作原理与板材滚弯基本相同，区别仅 在于管材滚弯所用的辊轮具有与弯蓝管材断面形状相吻合的工作表面。通 过改变辊轮的间隔，就可作任意曲率半径的弯曲 i , 5 9 】。螺旋盘管属于空间成 形管材，其成形过程不再是简单的平面圆弧弯曲成形，而是空间的三维弯 曲成形。其弯曲规律既具有管材弯曲成形的一般规律，又具有管材空间弯 曲成形的特殊规律。 2 1管材弯曲成形规律 2 1 1 弯曲成形的受力分析 管材在外弯曲力矩m 作用下弯曲时( 见图2 1 a 1 ，弯曲变形区的外侧材 料受到切向拉伸而伸长，内侧材料受到切向压缩而缩短。外侧边缘拉伸最 大，内侧边缘压缩最大，并各自向断面中心递减。同时在弯曲时引起各纵 向层相互间的压迫，因而在厚度方向产生了压缩应力( 一正) ，其值在中性层 上达到晟大。 1 4 第2 章螺旋盘管滚弯成形规律的研究 ( a ) 受力状态( b ) 应力应变状态 ( a ) l o a ds t a t e ( b ) s t r e s sa n ds t r a i ns t a t e 图2 - 1管材弯曲时的受力及其应力应变状态 f i g 1l o a d ，s t r e s sa n ds t r a i ns t a t ew h i l et u b eb e n d i n g 由于切向应力和应变岛沿管材断面的分布是连续的，故当弯曲过程 结束，由拉伸区过渡到压缩区，在其交界处一定存在着一层纤维，它的长 度等于管材的原始长度，即该层纤维的切向应变“= 0 ，此纤维层称为应变 中性层，它在断面中的位置可用曲率半径p ，表示。切向应力沿断面的分布， 由弯曲外侧的拉应力转变为内侧的压应力，其断面内也一定存在着一层纤 维，该纤维层上的切向应力盯。= 0 ，此纤维层称为应力中性层，它在断面 中的位置可用曲率半径p 表示6 1 。 管材在弹性弯曲阶段，应力沿断面呈线性分布，应力与应变间的关系 遵守虎克定律，故应力中性层和应变中性层相互重合并通过断面中心。随 着弯曲过程的进行，当弯曲变形程度超过材料屈服极限后，变形性质由弹 性变为塑性，故在弯曲过程中应力中性层和应变中性层不仅不相互重合， 也不通过断面中心，而是随曲率的增大逐渐向曲率中心方向移动，并且应 力中性层的移动量大于应变中性层的移动量，即风 p 。不过，当弯曲变 形程度不大时，中性层的移动量很小，为简化分析和计算，通常都忽略不 计，而认为在弯曲过程中应力中性层与应变中性层重合且通过断面中一t l , ， 并用p 表示弯曲后断面中性层的曲率半径。 由金属塑性成形原理可知，任意变形过程，其变形区的应力应变状态 都与变形条件有关【6 2 。在此仅对管材的均匀弯曲( 只承受弯曲力矩m ) 进行 分析讨论。 1 5 一 l 占当 日 点 ， 用 蹁 鼓鼓 燕山大学工学硕士学位论文 假定管材在均匀弯曲过程中，材料纤维之间没有相对错动，弯曲变形 区的应力应变状态如图2 1 b 所示，其中a 点表示弯曲外区( 拉伸区) 的应力 应变状态，b 点表示弯曲内区( 压缩区) 的应力应变状态。 当弯曲变形程度较小时，仅在切向产生较大的应力盯。，而管壁厚度方 向和圆周方向产生的应力盯，、仃。都很小，理论分析时可以忽略不计，应力 中性层可视为与应变中性层重合，并通过断面中心。随弯曲变形程度增大， 塑性变形区由断面的外缘和内缘逐渐向中间扩展，立体的应力状态逐渐显 著起来。 管材弯曲变形时，主要是依靠中性层内、外纤维的缩短与伸长，故切 向应变岛即为绝对值最大的主应变。根据塑性变形体积不变条件，另两个 方向上必然产生与岛符号相反的应变。假定弯曲过程中管径不发生变化( 目口 周向应变s 。为零) ，则可视为平面应变状态，即k f _ 川。 2 1 2 弯曲变形程度 管材的弯曲变形程度，取决于相对弯曲半径和相对厚度的数值 大小( 这里p 表示弯曲后断面中性层的曲率半径，d 表示管材直径，f 表示 管壁厚度) 。和值越小，表示弯曲变形程度越大。当变形程度过大(