（材料加工工程专业论文）薄壁管热推弯曲过程有限元模拟.pdf

摘要 摘要 薄壁管热推弯曲成形工艺易于实现生产柔性化和自动化，因此广泛应 用于航空、航天及汽车工业等领域。在薄壁管热推弯曲过程中，由于存在 不均匀温度场，弯曲制件容易出现开裂、起皱、壁厚减薄以及截面扁化等 缺陷。薄壁管热推弯曲成形工艺过程复杂，在弯管过程中需要控制的因素 多，目前尚无完整成熟的工艺理论。热推弯管工艺的深入研究对合理制定 工艺参数，高效、快速获得合格弯管制件具有理论和实际意义。 以塑性理论为基础，分析比较了不同简化模式下的管材推弯力学模型， 讨论了减薄率与椭圆率的定性关系；在假设转臂与弯曲管坯铰接的条件下， 用解析方法对管材推弯问题重新进行了求解，得到的弯矩表达式、中性层 的位置等更加符合实际受力情况。 分析了塑性弯管截面扁化的机理，得出了可通过改变管材圆周方向的 温度场分布，控制管材截面椭圆率的方法。分别在管材弯曲的内外和上下 两侧设定不同的变形温度，可提高局部变形区金属的抗力，从而达到降低 管材断面椭圆率的目标。 采用有限元软件a n s y s l s d y n a 对加载瞬态温度场的薄壁管热推弯 曲过程进行了模拟。采用管材圆周方向不均匀的冷却方式，在加热区和非 加热区分别对与管材弯曲平面相垂直的上下侧金属冷却，模拟管材的推弯 过程，得到了管材截面椭圆率、壁厚减薄率随弯曲角的变化规律。此外， 控制管材轴向变形区宽度较不控制变形区宽度可获得更小管材断面椭圆 率。降低管材推进速度，改变管材轴向温度分布，也可获得小的断面椭圆 率。综合比较认为，在非加热区对管材上下侧冷却可获得较小的断面椭圆 率。当管材断面椭圆率降低时，壁厚减薄率却随之增加，二者的变化趋势 相反。 关键词热推弯曲；感应加热；瞬态温度场；截面扁化；薄壁管 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h r u s t - b e n d i n gp r o c e s so ft h i n w a l l e dt u b eu s i n gl o c a li n d u c t i o nh e a t i n g e 啦r e a l i z ef l e x i b l em a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i cp r o d u c t i o n ，s oi ti sw i d e l y u t i l i z e di nt h ef i e l d so fa v i a t i o n ，a e r o s p a c ea n da u t o m o b i l ei n d u s t r i e sa n ds oo n h o w e v e r ，i nt h et h r u s t - b e n d i n gp r o c e s s ，t h e r ee x i s t f a i l u r e so fd e h i s c e n c e ， w r i n k l e ，w a l l - t h i c k n e s se x t t e m et h i n n i n ga n dc r o s s - s e c t i o nf l a t t i n ga n ds oo n ， b e c a u s eo fn o n u n i f o r mt e m p e r a t u r e f i e l da r o u n dt h e t u b e t h e r e f o r e ， t h r u s t - b e n d i n gp r o c e s so ft h i n - w a l l e dt u b ei sc o m p l e x t h e r ee x i s t al o to f i n f l u e n c ef a c t o ra n dh a v en o p e r f e c t t h e o r i e s c u r r e n t l y s t u d y i n g o f t h r a s t - b e n d i n gp r o c e s so ft h i n - w a l l e dt u b eh a v ei m p o r t a n ti n s t r u c t i o nm e a n i n g f o r d e c i d i n g r e a s o n a b l et e c h n i c a l p a r a m e t e r s a n d c o m p l e t i n g t h e p i e c e e f f i c i e n t l y a c c o r d i n gt ot h eb a s i ct h e o r yo fp l a s t i c ，t h em e c h a n i c a lm o d e l so ft u b eo f d i f f e r e n ts i m p l i f i e dp a t t e r n sh a v eb e e na n a l y z e da n dc o m p a r e d ；t h eq u a l i t a t i v e r e l a t i o n so f t h i c k n e s sr e d u c t i o na n de l l i p t i c i t yh a v eb e e nd i s c u s s e d a s s u m p t i o n t h a tp i v o t e da r r nh i n g e dw i t hp i p e ，a x i s - t h r u s tb e n d i n gp r o b l e mh a sb e e n r e s o l v e d ；t h er e s u l to fm o m e n to ff l e x u r ee x p r e s s i o na n dn e u t r o s p h e r cp o s i t i o n c o n f o r mt oa c t u a li n s t a n c em u c hm o r e m e c h a n i c so fc r o s s - s e c t i o nf l a t t i n go fb e n d i n gt u b eh a sb e e na n a l y z e d ， o b t a i n i n gt h em e t h o do fc o n t r o l l i n gc r o s s s e c t i o ne l l i p 如酊b ym o d i f y i n g t e m p e r a t u r ef i e l d sd i s t r i b u t i o n i nc i r c u m f e r e n c eo fp i p e i tc a nr a i s et h e r e s i s t a n c eo fp a r tt r a n s f o r m a t i o nm e t a l st h a ts e tt r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e d i f f e r e n t l yi nt w os i d e so fi n s i d ea n do u t s i d eo fb e n d i n gp i p ea n dt w os i d e so f t o pa n db o t t o mo fb e n d m gp i p e ，a t t a i n i n gt o l o w e ra l lo v a lr a t eo ft u b e g r o s s s e c t i o n b e n d i n gt h i n - w a l l e dt u b ep r o c e s so fl o a d i n gt r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l dh a s a b s t r a c t b e e ns i m u l a t e d b y f i n i t ee l e m e n tm e t h o d u s i n g a n s y s l s d y n a n o n - u n i f o r mc o o l i n gt y p ea r o u n dc i r c u m f e r e n c ed i r e c t i o nh a sb e e ns t u d i e d ，i ti s c o o lo f ft h e t o pa n db o t t o ms i d e v e r t i c a lt h et u b eb e n d i n gs u r f a c ei nt h e i n d u c t i o nh e a t i n ga r e aa n dn o n - h e a t i n ga r e a ，i tc a no b t a i nt h ev a r i a t i o nr u l e so f e l l i p t i c i t y o fc r o s s - s e c t i o na n dt h i c k n e s sr e d u c t i o nw i t h b e n d i n ga n g l e o t h e r w i s e ，c o n t r o l l i n ga x i a ld i r e c t i o nw i d t ho f d e f o r m i n ga r e ac a na t t a i nt oe v e n s m a l l n e s se l l i p t i c i t yo fc r o s s s e c t i o n ，c o m p a r i n gw i t h o u tc o n t r o l l i n gw i d t ho f h e a t i n ga r e a s r e d u c i n gs p e e do fp u s h i n gf o r w a r dc a l lc h a n g ea x i a ld i r e c t i o n t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n o fp i p e ，a l s o a c q u i r es m a l lv a l u eo fe l l i p t i c i t yo f c r o s s s e c t i o n s y n t h e s i z eac o m p a r i s o nt ov a r i o u sc o o l i n gm e t h o d ，c o o l i n gt h e t o pa n db o r o m s i d ev e r t i c a lt h et u b eb e n d i n gs u r f a c ei nn o n h e m i n gc a r lo b t m n s m a l le l l i p t i c i t y t h ed a t ac u r v ea n dt h er e l a t i o n so ft u b ew a l lt h i c kr e d u c ea n d e l l i p t i c i t yo f c r o s s s e c t i o nh a sb e e na n a l y z e d w h i l ea no v a lr a t eo ft h em a t e r i a l c r o s ss e c t i o nt ol o w e r ，t h et h i c k n e s sr e d u c t i o ni n c r e a s ei m m e d i a t e l y ，t w ov a r i e t y t r e n d so fa r ec o n t r a r y k e y w o r d st h r u s t b e n d i n g ；i n d u c t i o nh e a t i n g ；t r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l d ； f l a t t e n i n go f c r o s s s e c t i o n ；t h i nt u b e - b e n d i n g 1 1 1 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薄壁管热推弯曲过程有 限元模拟，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。 作者签字倚、旋 日期：泗6 年上月玛日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 薄壁管热推弯曲过程有限元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，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。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、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全 部或部分内容。 不保密叫 作者签名：侍、薪是 日期：加年t 月马日 新擗争气 醐 喵 第1 章绪论 第1 章绪论 1 i引言 管材的弯曲加工，在金属结构、农牧机械、工程机械、车辆以及锅炉、 石油化工、轻工、管道工程、航空航天等工业部门，占有十分重要的地位。 特别是采用薄壁弯管件，可以降低产品成本，并满足对产品轻量化的需求 在汽车、航空航天工业等有着广泛的应用前景【1j 。 管材的塑性加工是以管材做毛坯，采用塑性加工方法，制造管材零件 的加工技术。与板材塑性加工相比，虽然从变形性质、变形特点等方面看， 有许多相似之处，但在工艺方法、需要解决的工艺难点、工装结构设计、 工艺参数选择以及为防止产品产生质量缺陷而采取的工艺措施等方面，都 存在很大的不同。管材的空心截面是引起这些不同的主要原因。 管材的弯曲加工，往往容易产生下述质量缺陷【2 j ： ( 1 ) 弯曲变形区外侧壁厚变薄、破裂； ( 2 ) 弯曲变形区内侧壁厚增加，变形程度过大时，管壁失稳，引起皱褶： ( 3 ) 管材的横截面形状畸变。 薄壁管件( 管径与壁厚之比大于2 0 ) 较一般厚壁大直径管件的弯曲更容 易产生上述质量缺陷，因此选用合理的工艺方法及采取必要的工艺措旋是 十分重要的。常规的工艺方法和设备是难以满足薄壁管件的成形要求的。 高频感应局部加热推弯工艺不仅可以实现薄壁管件的弯曲成形，有效地防 止截面形状畸变和壁厚不均匀现象的产生，而且可以实现薄壁管件的小半 径弯曲。在薄壁管材热推弯成形过程中，温度场参数的控制是保证成形质 重的关键因素。因此，研究管材轴向和圆周方向的温廑分布对管材弯曲过 程的影响规律，完善和改进热推弯管工艺，是非常必要的。 1 2 管材弯曲加工方法与热推弯管工艺简介 管材的弯曲是指将管材弯成一定曲率一定角度而获得一定形状的零件 燕山大学工学硕士学位论文 的工艺方法。 1 2 1 管材弯曲加工方法 对管材进行弯曲加工，必须在充分考虑管材的横截面形状特点和影响 弯曲加工的各种因素的基础上，注重解决以下问题【2 ： ( 1 ) 根据管件的材料种类、精度要求、相对弯曲半径r d 和相对厚度 t d 等( d 为管材外径；，为管材壁厚；r 为管件中心层弯曲半径) ，选择合 适的弯曲加工方法： ( 2 ) 采用适当的施加外力或外力矩的方法及采取必要的工艺措施，使管 件的截面形状畸变和壁厚变化量尽可能小： ( 3 ) 采用的弯曲模具及设备尽可能简单，操作方便、安全： ( 4 ) 应保证一定生产率，加工成本尽可能低。 1 2 1 1 压弯压弯是由滑块推动凸模对管材施加推力产生弯矩，管材在两 个可以摆动的凹模支撑下弯曲【3 j 。此装置由于简单且价廉得到了广泛的使 用，但制件的形状不够理想，常常在模具压制成形后管件弯曲部位严重塌 瘪。此外，弯曲半径、角度及其弯曲形状也受到一定限制，故在生产中的 应用较少。 1 2 1 2 拉弯拉弯是将管材压靠在固定的凸模上，对管材两端同时施加轴 向拉力和弯矩，使管材沿着凸模成形的方法【4 】。在一般的拉弯成形中最大弯 曲角约为1 8 0 。这种弯曲方法难以维持弯曲毛坯的截面形状，主要适用于 有受力支承部位的开口截面型材，该方法不适用中空制件成形，尤其是薄 壁管件。 1 2 1 3 绕弯绕弯是活动压模绕固定弯曲模回转以进行弯曲的一种加工 形式，分为压缩方式和拉伸方式【5 】。两种方式的主要区别是凸模是否与管件 一起转动。凸模不与管件一起转动的是压缩方式，凸模与管件一起转动的 是拉伸方式。 1 2 1 4 滚弯滚弯按辊轮的配置方式分为角锥式与夹紧式，是用三个或四 个驱动辊轮对材料进行弯曲f 6 。可以通过变化辊轮之间的间距，来改交管 材的曲率。如果在出口端设置一组辊轮，相对于弯曲面作垂直弯曲，则可 2 第1 章绪论 实现螺旋线特征的空间弯曲，但这种方法仅适用于曲率半径较大管件的成 形。 1 2 1 5 激光弯曲金属管状零件的激光弯曲成形是一种利用激光加热来 实现构件的柔性成形技术，其基本原理是利用高能激光束扫描金属管表面， 加热区域材料的热膨胀引起材料堆积，冷却后，该区域材料沿轴向上缩短， 导致了金属管朝向激光束的弯曲从而最终实现无模具成形p ”j 。 1 2 1 6 热应力弯曲热应力弯曲是一种利用工件内部温度分布不均匀所 产生的热应力来驱动工件变形的成形方法【l ”。通常产生热应力的方法是对 工件进行局部加热或冷却。管的热应力弯曲工艺方案是，首先将管件在加 热炉中均匀加热到某一高温，然后以一定速度水平浸入水中，直至管件完 全冷却。管件最终凹向后入水的一侧，管件弯曲程度及截面扁化程度随加 热温度的增高而增大，长度直径比值较大的管件，其弯曲效果较好。 随着对管材弯曲制件质量要求的不断提高和对管材弯曲工艺研究的不 断深入，还会出现一些新的弯管工艺方法。 1 2 2 热推弯管工艺简介 热推弯管工艺是将管材加热、弯曲及冷却连续进行，减少管材截面形 状畸变与壁厚不均匀的新工艺方法。热推弯管成形一般只利用简单的弯曲 机构，依靠中、高频感应电流，将管坯局部加热到所需高温，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。该 种工艺方法仅采用简单的工装，通过合理的控制成形参数和温度场参数， 利用弯曲机构实现管材和型材的连续弯曲变形 1 2 1 4 】。 根据所施加弯矩方法的不同，热推弯管可分回转式与侧压式。 回转式中频热推弯管的成形原理如图1 1 所剥1 5 1 。管坯2 由送料装置l 推进，经感应圈5 对管坯进行局部的连续加热。感应线圈通过中频电流， 从而产生交变磁场，管坯中由交变磁场引起的感应电流将管坯加热。支撑 辊3 用以确定管坯的轴线位置，以保持管坯与感应圈和夹头同一d 。摇臂6 对管件进行端部夹紧，可绕定心转动。支撑辊3 和摇臂6 联合作用，形成 弯曲力矩，使管件弯曲。管坯通过感应圈变形后即形成弯管，紧接着由装 一 鎏虫奎兰三兰堡主兰垡笙奎 在感应圈上的环形冷却装置4 喷水冷却，使弯管获得足够的刚性，从而保 持管截面的形状，实现连续弯曲。 l 。迭科装置2 管坯3 支撵辊4 冷却装置5 感应圈6 接臂 图1 - 1 热推弯曲工艺示意图( 回转式) f i g 1 - ls c h e m a t i c p l a n o f a x i s - t h r u s t b e n d i n g t e c h n o l o g y ( b a c ks w i n g ) 如图1 2 所示，侧压式热推弯管是通过调整侧压轮的位置实现不同曲率 的弯曲【1 6 】。该加工方式设备条件较复杂，适用于较完善的自动控制成形。 4 1 臂材2 导向轮3 ，感应加热器4 项推装置 图l - 2 热推弯曲工艺示意图( 侧压式) f i g 1 - 2 s c h e m a t i c p l a n o f a x i s - t h r u s t b e n d i n g t e c h n o l o g y ( s i d e p r e s s u r e ) 热推弯管工艺具有巧妙的施加外载方式，在材料向前送进的同时，支 撑轮与前夹头对管坯旋加弯矩，再利用加热冷却装置形成的合理温度场， 使交形区内金属在弯曲力矩作用下产生局部变形，达到靠热区变形，冷区 传力的目的，这样就完全避免了其它弯曲方法中模具直接与坯料接触造成 的局部压扁和表面划伤等缺陷，弯曲件断面畸变的控制比较方便，只要使 4 第1 章绪论 变形区控制在足够小的范围内，变形区内坯料的截面形状完全靠与之毗邻 的两侧冷刚端自身截面来维持，实践证明用该种工艺加工的管件，截面畸 变很小【1 7 1 。 管坯在弯曲平面前后很小的长度上，在瞬间被加热到高温，在此高温 下导磁率降低到l ，因而使感应电流透入深度大为增加。在电流频率为 2 5 0 0 h z 8 0 0 0 h z 时，基本上能将管壁烧透，因而使材料的屈服点大大降低， 塑性显著提高【1 8 。这就为管坯在弯曲变形区域内塑性变形创造了极为有利 的条件。在加热弯曲后紧接着强制喷水冷却，使管壁急冷至约2 0 3 0 0 c 。 即在弯曲段剐刚形成之后，便强制喷水冷却，使管坯弯曲段达到足够的刚 度，以防减少弯管截面的椭圆度。由于高温变形区窄，故管壁不均匀性降 低。因此，中、高频热推弯管质量较好，椭圆度和壁厚减薄率均比冷弯好。 热推弯管具有如下优点： f 1 ) 比传统工艺方法维持制件断面形状能力强，适用于各种异形管和型 材的弯曲，弯曲件断面畸变小，制件尺寸精度易于保证； ( 2 ) 可弯曲曲率半径很小的制件，即可提高管件弯曲成形极限； ( 3 ) t 艺确定后生产稳定性易于保证，且可方便实现三维变曲率弯曲； f 4 1 弯曲机构简单，易于实现生产柔性化。 1 3 热推弯管工艺研究现状 热推弯管的工艺发展迅速，其应用范围也在不断扩大，越来越引起了 研究人员的关注。在理论分析、实验研究以及数值模拟等方面，国内外许 多研究人员进行了大量的研究工作。 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，以及对横截面扁化、壁厚变化、中性层偏移和纵向伸长 的分析。以下仅对截面扁化、壁厚变化及弯曲过程的力能分析方面的理论 做重点介绍。 e j u n i e h i 、m t a d a o 基于能量原理考虑各向异性，从理论上近似的分析 了材料特性对圆管均匀弯曲过程中横截面椭圆化的影响【l9 1 。截面扁化程度 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 燕山大学工学硕士学位论文 的厚向异性指数的减小而增大。 f s t a c h o w i c z 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中性层外移而产生不对称变形，管材弯曲后的 横截面形状与椭圆有较大差别，因此提出采用一个扁化因子和中性层移 动量分别衡量管材横截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i z 唧。 文献【2 1 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、截面的扁化及管材坯料长度的表达式。由于分析推导过程中的 大量简化和假设，其精度不高，且适用性也受到一定的限制。 j e m i l l e r 等人假设管形状和载荷沿长度方向不变，建立了一个适用 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i l k 的刚性模 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丁和内 部压力尸，通过调整3 个加载参数增量七、r 和p 符合设定的加载历史， 从而使管件成形【22 ，”l 。采用该模型，研究了加载路径和拉、压力对横截面 变形和净伸长的影响。 文献【2 4 】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，在截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 热大直径碳钢管材弯曲过程进行了力学分析，在考虑壁厚变化的情况下， 获得转臂上无阻力矩作用时的弯曲轴力的表达式，文献【2 5 】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。 f s t a c h o w i c z 基于管材弯曲过程中的应力表达式，通过积分获得了铜管 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 2 0 】。 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 f s t a c h o w i c z 相同的方法，获得了管材弯曲过程中的弯矩。 文献【2 6 】根据塑性理论和结构静力条件，对中频感应局部加热弯管过程 的变形及受力状态进行了系统的理论分析，建立了新的理论模型，采用无 量纲方法，计算得到了在不同相对弯曲半径条件下弯管过程中塑性变形区 的无量纲轴向推力和弯矩、弯管外侧壁厚减薄率和内侧壁厚增厚率等结果， 6 第1 章绪论 与实验结果符合良好。该理论模型可用于中频感应局部加热弯管工艺及设 备参数的设计及优化，并为小弯曲半径弯管理论的建立和工艺的实现提供 了依据2 6 1 。 文献 2 7 1 提出了弯管成形过程所遵循的力学原理及分析求解方法，建立 了应力方程，对弯管成形瞬时的应力状态及演化过程进行了重点研究。 文献1 2 8 对工业中常用的碳钢管建立了采用牛角芯棒的热推弯管成形 过程的本构模型。先对弯管成形过程进行了宏观定性分析，将这个过程分 为三个阶段：未进入牛角芯棒变形区的直管坯阶段：进入牛角芯棒变形区 的变形阶段；变形后的整形阶段。基于实验结果，对应变速率、变形温度、 变形程度、应力状态进行了定量描述。 文献【2 9 】对影响变薄量的管径、弯曲半径和壁厚等因素，进行了数学分 析和实验验证，从而得出新的变薄量计算公式。比采用经典力学方法推导 得出的变薄量计算公式具有更高的计算精度。 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 假设包括平截面假设、材料匀质、各向同性假设和体积不变假设等【3 叩“。 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分析提供一些先期指导作用。 热推弯管成形的关键在于合理地控制变形区参数，而变形区的形成是 依据金属材料的变形抗力随温度升高而降低这一特性，通过合理控制温度 场参数来实现的。不同的温度分布，弯曲变形区也不同，且对弯曲制件质 量有较明显的影响。因此，研究加热弯管时的温度分布对弯曲工艺参数的 确定以及加热冷却设备的选择与设计均有重要意义。 一定厚度的管件，在感应加热时，壁厚方向存在少量的温差，而在管 材轴线方向保持壁厚的若干倍宽度高温区是弯曲成形所必需的，通常冷却 水沿管材周向喷射，管材沿一定方向移动，这就为保证稳定的高温区创造 了条件。因此，感应器功率和冷却条件参数的确定是热推弯曲成形的重点 和难点，一般采用模糊的经验值。但是由于未考虑工件内部温度极度不均 燕山大学工学硕士学位论文 现象，造成弯曲精度难于控制。 竹山辉义给出了管内外温度及变形抗力随感应器距离变化的模式，但 未给出它们的定量关系【3 2 】。文献 3 3 钡1 j 试了以一定速度向前送进的管件在不 同冷却条件下的轴向表面温度，证明在水冷条件下，冷却能力强，变形区 宽度易于控制，但未进行温度场理论方面的解析。 福荣久宜等对高频加热与冷却现象进行了解析解的推导，根据加热装 置的感应原理，推导出感应磁场参数，进而得出管材内部发热量的分布状 况【蚓。在冷却方面考虑了水的层流传热及沸腾换热现象，但是对冷却解析 解的推导极为复杂。 浅尾宏等用有限元法模拟了耦合感生电磁场，进而确定出管材内部温 度分布【3 5 1 ，但计算中未涉及感应效率问题，所得温度分布也仅仅是管材静 止不动，感应加热3 0 秒时的特殊情况，这与实际弯曲加工中温度场分布还 有一定距离。而且在计算中感应器与被加热管件距离过近，实际上应留出 足够的间隙，允许弯曲时管材有少许偏移，强制冷却条件也未考虑其中。 文献 3 6 1 试验了矩形管的热推弯曲，重点对冷却条件参数进行了研究， 分别尝试了管件内外侧单面冷却及管件周向均匀冷却的情况，得出单面冷 却容易诱发管件起皱和塌陷的缺陷，而均匀冷却工艺可以很好的控制制件 的断面形状，满足壁厚减薄的要求，而且弹复很小，弯曲角度及弯曲半径 易于保证。 邵作之研究了中频弯管机的加热功率与推进速度的关系，认为加热弯 管工艺由“预热”、“过渡”、“稳定”三个过程组成1 3 7 1 。 s k u r i y a m a 和t a i d a 分析了加热弯管时的温度分布，用红外温度计 测出了碳钢s t s 3 7 0 管材的温度分布r 2 4 。非加热区的温度由于热传导比室温 略高，高温区的温度约为9 5 0 c ，低冷温度区的温度已被冷却到约为3 5 0 c ， 中温度区的温度约为8 5 0 c 。 孙振中、杨玉英在同一模具上试验研究了两种截面n 形铝型材和帽形 铝型材的3 6 0 。推弯成形，工艺试验在w d 1 c 型电子万能实验机上进行， 测量了推弯力一行程曲线【3 3 】。 文献 4 9 - - 4 1 根据试验和数值模拟的结果优化了热推弯曲工艺中的相关 第1 苹绪论 参数。采用逆向分析方法计算了常弯曲半径范围值的优化条件。即当相对 弯曲半径月d 在1 4 1 3 0 的范围内可得到质量较好的弯管，并且此结果被试 验证实。此工艺已成功地运用在不锈钢管及核电或热电厂中的镍合金管的 生产。 文献 4 2 4 4 1 通过实验研究，分析了牛角芯棒热推弯管成形过程瞬时应 力、应变状态及其演化过程，阐明了弯管成形时的受力、变形特点，揭示 了弯管成形过程所遵循的力学原理及其分析求解方法，为牛角芯棒热推弯 管成形理论研究奠定了基础。 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，是一种可靠性高的工艺分析手段。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 和m a r c 等。 胡忠、李家庆基于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、截面 椭圆率、推力、阻力矩和回弹角随弯曲角度的变_ 花关系矧。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【4 7 】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 制相对弯喵半径小于l ，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。 胡福泰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 9 燕山大学工学硕士学位论文 相应的可预报管材弯曲后断面畸变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【4 引。 文献【4 9 】运用弹塑性大变形有限元理论，在通用有限元软件m a r c 平 台上建立了大口径热推钢管弯曲过程的弹塑性热应力耦合模型，并对实际 弯曲过程进行加载计算。基于有限元模拟结果，对钢管弯曲过程中的金属 变形规律作了详细分析，同时也给出了断面形状及壁厚在成形过程中的变 化情况。 文献【5 0 】采用显式有限元分析软件a n s y s l s d y n a 对圆形钢管的弯 曲加工过程进行数值模拟。圆管弯曲加工模型是常见的回转引伸弯曲加工 方式，并在分析模型中考虑了阻止钢管在弯曲加工过程中起皱和截面扁平 化的芯轴，以及为了防止钢管弯曲的外侧的壁厚过分减薄在钢管的末端加 上压力。通过数值模拟得到管壁的最大减薄和增厚部位，并讨论了芯轴的 摩擦系数和钢管末端的压力对管壁厚度变化的影响。 1 4 选题的背景和意义 热推弯管工艺己广泛应用于电站、化工等设备管道的弯曲加工中 5 q 。 采用电磁感应局部加热钢管，用喷水或喷冷风的方法控制适当的热变形区， 并用导辊支撑导向，由旋转的曲壁夹住管子的前端部，将管子从后端推入 的弯管方法在1 9 6 1 年由日本第一高周波工业公司申请专利，这一工艺具有 使配管焊缝数量大大减少，弯管质量高，外形美观，弯曲半径准确且适应 范围大，能耗少，工艺装备简单，生产率高，经济效益显著等特点。对于 难成形的薄壁管材弯曲，采用此工艺可以实现大管径小半径弯曲，因此在 航空、航天等工业的管弯曲成形加工中占据了重要地位。 近年来对管材弯曲进行了许多研究，取得了很大进展。但是目前的研 究，主要还是集中于中频推弯厚壁管方面的质量控制和工艺改进，针对薄 壁管推弯中壁厚交薄的研究较少；对单一影响因素的专题研究较多，对综 合因素的交互作用考虑较少，主要面临的问题有以下两个方面： ( 1 ) 薄壁管材热推弯曲成形过程的成形特点是弯曲中性层外侧由于切向 拉应力作用而使壁厚减薄及断面畸变。管壁厚度的过度减薄必然降低管件 i o 第1 苹绪论 的承载能力，影响管件的使用性能，不仅会降低弯管零件的强度、刚度性 能和疲劳寿命，还会影响到产品的安全性及寿命。 ( 2 1 由于薄壁管材弯曲成形过程是多因素耦合交互作用的复杂过程，单 纯采用试验研究方法和理论解析方法，很难准确地解决管弯曲生产实际问 题。 随着管产品在精度方面的要求不断提高以及大口径、小弯曲半径薄壁 管零件的不断应用推广，对薄壁管在弯曲过程中的截面扁化和壁厚减薄的 预测，己成为完善热推弯管工艺所迫切需要解决的瓶颈，也是薄壁成形件 所普遍面临的问题。因此，定量分析薄壁管的塑性弯曲成形过程，温度场 工艺参数对截面扁化产生的影响并对参数进行优化，不仅在理论研究方面 有重大意义，而且在管弯曲加工的实际生产应用中也具有重要价值。 综上所述，深入研究薄壁管热推弯曲成形过程中温度场工艺参数对截 面扁化和壁厚减薄的影响规律，对于确定最佳薄壁管材弯曲成形的加热冷 却工艺方案，获得优质的弯管零件提供理论依据，从而可大大减少试生产 次数，降低设计成本，缩短设计周期，高效低耗地实现薄壁管材的热推弯 曲成形过程。 1 5 本文的主要研究内容 ( 1 ) 对不同简化模式下的热推弯管力学模型进行分析，为进一步有限元 模拟提供依据。研究管材断面扁化的机理，定性地分析不同的温度场分布 对管材断面椭圆率等的影响规律。 ( 2 ) 在不同的温度场情况下，用有限元法对薄壁管件热推弯过程进行模 拟。进一步探求温度场参数对管材断面椭圆率等的影响规律。 ( 3 ) 分析模拟结果，总结管材圆周方向和轴线方向和温度场分布对管材 截面扁化和壁厚变化的影响规律。 ( 4 ) 设计改进热推弯管试验系统。 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章热推弯管的力学和温度场分析 2 1 热推弯管力学模型 2 1 1 弯管受力分析 图2 - 1 为文献 4 8 采用的弯管力学模型。转臂上所加反弯矩蝇是回转 机构阻力矩( 附加力矩) ，l 为支撑辊反力，w 为推进力，绞支点o 受反力巴 与，k 作用，妒角为此时转臂与感应器所在平面的夹角，为前夹头的初始 角度，r 为弯曲半径，厶为弯管开始时( 妒= 0 。) 管子前端被夹部分的对称横 截面与坐标平面x o z 之间的距离，则 = a r c t a n ( 1 ：r )( 2 - 1 ) 1 支撑导辊2 前夹头 图2 - 1 熟推弯管力学分析模型 f i g 2 1m e c h a n i c a la n a l y s i sm o d e lo f a x i s - t h r u s tb e n d i n g 根据静力学平衡条件，得到如下方程螂1 f 瓦= w 踪= ( w r m ) ( 2 - 2 ) 【1 = ( w r m ) 第2 章热推弯管的力学和温度场分析 由此可知，热推弯曲时，推进力肌辊轮支反力l 及回转中心所受外 力民，巴不因弯曲角妒的改变而变化。 弯管时，外力推动管材前移，对转臂支点0 形成弯矩w r 使转臂转动， 管材在局部加热区变形弯曲。 另外一种弯管受力加载模式，如图2 - 2 所示【2 “。 1 后导辊2 前导辊3 前夹头 图2 - 2 弯管结构受力分析图 f i g 2 - 2l o a d i n g m o d e lo f p i p eb e n d i n g 其中t 。，兄分别为后辊轮和前辊轮作用在被弯管子上的反力和 所产生的摩擦力，矽为弯管推力，f 、q 和m b 分别为塑性变形区所受的轴 向压力、剪力和弯矩，属于内力。驴为弯曲角度，为前夹头的初始角度， 尺为弯曲半径，为弯管开始时( 妒= 0 。) 管子前端被夹部分的对称横截面与 坐标平面x o z 之间的距离。 由静力平衡条件得到如下方程 2 6 1 【c = 0w e 。一f 吐一尼= 0 = 0，一，k + ，= 0 ( 2 - 3 ) la t m ) r 。= 0f r 一，( 1 l + ，2 ) 一( e l + ，) l + ，k 1 2 = 0 垄当奎兰三兰堡主兰笙笙茎 根据辊轮上下轴承处的摩擦关系确定了。与e 和c ，与e ：的关系公 式，代入方程式( 2 3 ) 中，其中p 为辊轮轴承的摩擦系数，求得0 ，、：的 表达式【2 6 】 由此，弯管结构共受矿，e 。，。，：，e ，七个力的作用，其中矿 为施加在结构上的力，由弯管塑性条件决定，剩下六个未知力，共五个独 立方程，因此是静不定问题，必须借助于变形内力条件才能求解。 以上两种加载模式皆为固接式模型，即将管件与转臂假设为固定联接。 2 1 2 弯管模型的简化 为了得到弯管受力方程的解析解，文献 2 6 1 将图2 2 的夹臂视为二力杆。 郎夹头与管子铰接。以感应器线圈所在平面将弯管分为左右两部分，取右 侧隔离体作受力分析，如图2 3 所示。 由力矩平衡条件得到 jq2t。矾伊+)pp l=(2-5)rm b 将式( 2 5 ) 与式( 2 3 ) 、式( 2 4 ) 联立求解，得到弯管推力为 形= e4 - 拿j2 f ：r + q q , + 弘+ 2 量u ) i l l( 2 6 ) 7 2 l 乇 j 式中e 塑性变形区所受的轴向压力 r 3 辊轮轴径 r 2 辊轮与管子接触点距辊轮轴线之间的距离 辊轮上下轴承处的摩擦系数 r 弯曲半径 q 塑性变形区所受的力 1 4 厶 惕小 n 刁 ， r 三_ 2匕乒眨 + + 如 ，、 “ ” r + 卜r 耻 驴 第2 章热推弯管的力学和温度场分析 z ，后辊轮与前辊轮之间的距离 ，2 前辊轮与塑性变形区中线之间的距离 管子中心到管子与辊轮接触点之间的距离 图2 - 3 变形区管材受力分析 f i g 2 3s t r e s sa n a l y s i so f d e f o r m e d & r e a 2 2 弯管变形区的应变分析 当管材纯弯曲时，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。由于切向应力和应变沿管材截面的分布是连续 的，故在管材内部必然存在应力中性层和应变中性层，即= 0 ，岛= 0 。 管材在弹性弯曲阶段，应力沿截面呈线性分布，应力与应变之间的关系遵 守虎克定律，故应力中性层和应变中性层相互重合并通过截面中心。随着 弯曲过程的进行，弯曲变形程度超过材料的屈服极限后，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 不通过截面中心，而是随曲率的增大逐渐向曲率中心方向移动【2 j 。 薄壁管材弯曲变形时，主要依靠中性层内、外纤维的缩短与伸长，故 轴向应变s 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s 符号相反的应变。 假设热推弯管在弯曲过程中应力中性层与应变中性层重合，由于受到 轴向压力作用，使得弯曲中性层外移，偏移角为口，如图2 - 4 所示，其中，n 燕山大学工学硕士学位论文 为管子原始壁厚，k 为管子平均半径伫6 1 。 图2 4 弯管变形区应力应变分析图 f i g 2 - 4s t r e s sa n ds t r a i na s s a yp l a no f d e f o r m e da r e a 弯管横截面任一点的轴向应变为 8 ：。y l r c o s o - r m s i n a ( 2 7 ) pr + ，址s i n a 、 其中，为任一点处半径，是变量，口角为任一点与管件纵向对称截面的夹角， y 为任一点到偏移中性层的垂直距离。如设 = r f g 为相对弯曲