（机械设计及理论专业论文）管道冷挤压环连接技术研究.pdf

中南大学硕士学位论文 中文摘要 摘 要 在薄壁金属管道连接领域中， 过去 一 般采用焊接工艺， 而焊接的工 作效率低，工作环境恶劣，劳动强度高， 并且由于焊接缺陷给管道连接 质量带来严重的影响:管接头的强度低于管材;容易引起接头泄漏，有 害气体的泄漏对人类的健康造成威胁。正在此背景下， 本文展开了如下 研究: 1 . 介绍了一 种新型的管道连接方法冷挤压环连接技术， 分析了 该连接方法中单环连接与双环连接的连接过程与连接机理。该连接方法 主要适用于同种材料或不同材料、 相同直径或不同直径薄壁金属管道的 连接口 它通过外力推动连接环使外套管或过渡接头产生弹塑性变形，从 而实现管道之间的相互连接和密封。 2 . 建立了 环连接方法连接过程中的力学模型， 并借助有限元工具研 究了 该连接过程中连接力的变化情况以及连接后中的应力、 应变分布情 况，仿真结果和力学模型计算结果基本一致。 3 . 分析了所建力学模型中各参数对连接强度与密封性能的影响情 况，并借助a n s y s 有限元工具模拟了 冷挤压环连接的连按过程与抗 拉 过程，并对该连接方法的抗拉性能与密封性能进行了分析. 4根据冷挤压环连接方法连接质量的控制准则 ，对环连接接头尺寸 进行了参数化， 并以接头副的尺寸为设计变量，以接头的密封性能为目 标函 数进行了 优化设计 ， 在所设计接 头附 件的 基础上设计了 一 套 双环 连 接装置。 通过管道的连接实验表明了所设计的接头附件以及连接装置的合 理性; 通过抗拉实验、密封实验验证了所建力学模型与仿真结果的正确 性。从仿真与实验结果表明: 环连接管接头连接力比较小， 其连接强度 高，并且高于强度较小的管材本身的屈服强度，具有较好的抗拉性能; 接头的密封性能好，泄漏率低. 通过该连接方法的研究， 有利于进一步提高冷挤压环连接接头的连 接质量，促进该连接技术的应用与发展. 关键词:薄壁金属管道，焊接，冷挤压环连接技术， a n s y s有限 元方法，密封 中南大学硕_ _ 学位论文 英文摘要 abs t rac t i n t h e f i e l d o f t h i n - w a l l e d m e t a l t u b e c o n n e c t i o n , w e l d i n g i s t r a d i t i o n a l l y u s e d , w h i l e it s e f f i c i e n c y i s l o w , i t s l a b o r i n t e n s i t y i s h i g h a n d i t s a s s e m b l y i s h a r m f u l t o t h e w o r k i n g e n v i r o n m e n t , a n d t h e w e l d i n g d e f e c t s b r i n g a b o u t s e r i o u s i n fl u e n c e o n t h e c o n n e c t in g q u a l it y o f p i p e s , f o r e x a m p l e , t h e s t r e n g t h o f t h e f i tt i n g i s b e l o w t h a t o f t h e p ip e , t h e l e a k r a t e o f t h e f i t t i n g s c o m e s u p t o o n e t h o u s a n d t h s , a n d t h e l e a k a g e o f s o m e h a r m f u l g a s s e r i o u s l y i m p e r i l s h u m a n s h e a l t h . u n d e r t h e s e c i r c u m s t a n c e s , t h e f o l l o w i n g r e s e a r c h i s e n g a g e d i n : f i r s t l y , a n e w t e c h n o l o g y o f c o l d - f o r m e d t u b e c o n n e c t i o n -r i n g c o n n e c t i o n i s i n t r o d u c e d , a n d t h e c o n n e c t i n g p r o c e s s a n d i t s m e c h a n i c s p e r f o r m a n c e i s r e s e a r c h e d i n t h i s p a p e r . t h i s t e c h n o l o g y i s m a i n l y u s e d i n t h e c o n n e c t i o n o f t h e s a me o r d i f f e r e n t ma t e r i a l a n d d i a me t e r t h i n - wa l l e d m e t a l t u b e s . d u r i n g t h e c o n n e c t i o n , t h e m i d d l e j o i n t s o r t h e o u t e r t u b e w i l l h a v e e l a s t o - p l a s t i c d e f o r m a t i o n u n d e r t h e h o o p c o m p r e s s i o n l o a d i n g e x e r t e d 饰t h e t h r u s t t o t h e r i n g , s o t h e t u b e s a r e c o n n e c t e d a n d p r e s s u r i z e d . s e c o n d l y , a m a t h e m a t i c m o d e l i s e s t a b l i s h e d , a n d t h e w h o l e c o n n e c t i n g p r o c e s s i s s i m u l a t e d w i t h t h e u s e o f a n s y s f i n i t e e l e m e n t m e t h o d s , t h e c o n n e c t i n g f o r c e a n d t h e s t r e s s a n d s t r a i n o f t h e c o n n e c t e d f i tt in g s a r e c a l c u l a t e d a n d a n a l y z e d d u r i n g t h e s i m u l a t i o n , a n d t h e s i m u l a t i v e r e s u l t s a r e n e a r l y i d e n t i c a l w i t h t h o s e o f t h e m a t h e m a t i c m o d e l . t h i r d l y , o n t h e b a s i s o f t h e e s t a b l i s h e d m a t h e m a t i c m o d e l , a l l k i n d s o f f a c t o r s o n t h e q u a l it y o f t h e c o n n e c t i o n a r e a n a l y z e d , t h e s e a l t h e o ry o f t h e c o n n e c t i o n i s p u t u p , a n d it s a n t i - t e n s i l e p r o c e s s a n d s e a l p e r f o r m a n c e i s s i m u l a t e d w i t h t h e u s e o f a ns y s f i n i t e e l e m e n t m e t h o d s , a n d t h e r e s u l t s a r e v e ry c l o s e t o t h o s e o f t h e s i m u l a t i o n . f o u r t h l y , t h e p a r a m e t e r i z e d m o d e l i n g o f t h e j o i n t s i s o b t a in e d o n t h e b a s i s o f t h e g o o d c o n n e c t i n g q u a l i t y , a n d t h e o p t i m i z a t io n d e s i g n o f t h e j o i n t s i s m a d e w i t h t h e s i z e o f t h e r i n g a n d p i p e a s t h e v a r i a t i o n a n d t h e s e a l p e r f o r m a n c e o f t h e j o i n t s a s t h e a i m f u n c t i o n ; a t t h e s a m e t i m e , t h e c o r r e s p o n d i n g d o u b l e r in g c o n n e c t i n g d e v i c e i s d e s i g n e d . 中南大学硕十学位论文 英文摘要 t h e r e s u l t o f t h e c o n n e c t in g e x p e r i m e n t i n d i c a t e d t h e d e s i g n e d r i n g a n d d e v i c e r e a s o n a b l e ; a n d t h e r e s u lt s o f t h e a n t i - t e n s i l e a n d s e a l p e r f o r m a n c e e x p e r i m e n t s p r o v e d t h a t t h e e s t a b l i s h e d m a t h e m a t i c m o d e l a n d t h e r e s u l t s o f t h e s i m u l a t i o n a r e r i g h t . a l l t h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e c o n n e c t i n g f o r c e i s l o w e r t h a n o t h e r c o l d - f o r m e d c o n n e c t i o n m e t h o d s , t h e s t r e n g t h o f t h e f i t t i n g s i s h i g h e r t h a n t h a t o f t h e l e s s s t r o n g p ip e s , a n d t h e a n t i - t e n s i l e a n d l e a k p e r f o r m a n c e o f t h e f it t i n g s i s h i g h e r t h a n t h a t o f o t h e r t r a d it i o n a l c o n n e c t i o n me t h o d s . t h e a c h i e v e m e n t s o f t h e d e s i g n a n d s t u d y a b o u t t h e c o n n e c t i o n m e t h o d h a v e f u r t h e r i m p r o v e d t h e c o n n e c t i n g q u a l i t i e s o f t h e p i p e s a n d p r o m o t e d it s u s e a n d d e v e l o p m e n t . k e y wo r d s : t h i n - w a l l e d m e t a l t u b e , w e l d i n g , c o l d - f o r m e d r i n g c o n n e c t i o n , a n s y s f i n i t e e l e me n t m e t h o d s , s e a l 中南人学硕士学位论文 第一章 结 论 第一章 绪 论 管道是各种流体运输的通道。由于管内的流体、使用条件、管道材质和壁厚的 不同，所要求采用的连接方法也各不相同。 在本文中主要研究的是一种适用于密封 性能要求较高的薄壁金属管道的连接方法，特别是有色金属管道的连接。 1 . 1 管道连接方法的现状及发展 传 统的 管 道连 接方 法 有 螺 纹 连 接、 焊 接 和法 兰 连接 1l 等 方 法。 随 着现 代技 术与 设备 的高 速发展对 管道接头 连接质量 要求越来越高， 出 现了 如 沟 槽式管道连接2 13 1 4 1 ( 又 称卡箍连接) 和形状记忆 合金管道连接 5 1 6 1 等 许多 新型的 管 道连接方法。 在本 研究中， 主要讨论的 是薄壁( 本论文中指的 是壁厚属于o s - -2 m i n 范围 之内) 金属管 道的连接。 1 . 1 . 1 传统的管道连接方法的分析 传统的管道连接方法主要有螺纹连接、焊接和法兰连接，在密封性能要求较高 的薄壁金属管道的连接领域中，它们都有一定的缺陷，下面作简要分析和比较口 1 . 螺纹连接 螺纹连接主要用于管径在( 1 0 0以内的 管道连接，尤其是用于管径为4 ) 1 5 -4 0 的 管 道 连接。 管螺纹主要有圆锥形和圆柱形两种，对于薄壁金属管道的连接，由于受到尺寸 的限 制，不宜加工圆锥螺纹，因而只能采用细牙圆柱管螺纹进行连接。然而在圆柱 管螺纹连接中，具有明 显的缺陷:螺纹的牙高一般占了壁厚的一半，螺纹削弱了 管 道的强 度，同时对于 不同外径的薄壁金属管道加工螺纹后， 也不一定能刚好进行螺 纹偶合;密封性能较差，容易引起流体泄漏。 2管道焊接 焊接是通过加热、加压，或两者并用，使两工件产生原子间结合的加工工艺和 连接方式。 和螺纹连接相比， 焊接的 应用范围 更广， 如过去冰箱、 空调制冷系统中 的管道一般采用焊接。 焊接的方法很多，一般采用电焊、氧焊和钎焊，如碳钢管道 的焊接一般使用电焊，铜管、铝管的焊接一般使用钎焊。 焊接主要存在如下缺点:对于电 焊和氧焊一般用于同 种金属之间的 焊接 ( 对于 异种金属之间的连接一般采用钎焊接) ; 同时若焊接工艺参数不当、 热量不足、 端面 的加工或清理不干净都容易出现局部熔合不良、焊层过薄以及焊接管道中心偏移等 中南大学硕 十 学位论文第一章 绪 论 现象， 一h- 经受外力后便会出 现微裂，以 及焊穿、 未焊透、气孔和夹渣等缺陷 1 8 1 都有可能导致泄漏;而且焊接温度较高，容易引起火灾和环境污染。 3 . 管道法兰连接 和螺纹连接与焊接不同， 管道法兰连接方法接合强度高、密封性能好、拆卸方 便。 可以 适用于大口 径管路系统或经常需要检查或定期清理的阀门、管路附属设备 与管道的连接。 然而，法兰接口比其他接口耗钢材多、用人工多、造价较高，连接效率低，并 且一般不实用于小径管道的连接。 综上所述，在不同 程度上，传统的连接方法都具有一定的缺陷，如容易泄漏或 连接效率低等，不适合密封性能要求较高的薄壁金属管道的连接。为了寻求最为合 理的连接方法，有必要进一步对其他管道连接方法进行分析与比较。 1 . 1 . 2 其他管道连接方法的分析 由于传统的管道连接方法有如上许多缺陷，不能满足现代工业生产的需要，出 现了许多其他的连接方法，如卡箍连接、形状记 忆合金管道连接。 1卡箍连接 卡箍连接是二十世纪三四十年代， 美国 就最先开发出的一种管道连接方法3 1 。 由 于在连接中，需要在连接管道上开槽 ( 宽约8 m m，深约2 m m) ，因而也叫沟槽式管 道连接。卡箍连接的结构包括卡箍 ( 材料为球墨铸铁或铸钢) 、螺栓/ 螺母紧固 件和 密封圈 ( 材料为橡胶)如图1 - 1 所表示。 螺栓/ 螺母管道密封圈 卡 箍管道 图1 - 1 卡箍连接 根据连接方式分为钢性接头和柔性接头， 根据管径尺寸分为二段一四段式卡箍。 其主要用于管径为d 2 5 - 6 0 0 的管道连接 该连接方法， 具有较好的密封性能和防腐性能，但连接前需要对管道进行滚槽 等机加工，从一定程度削弱了管道接头处的强度，一般不适用于薄壁金属管道的连 中南大学硕士 学位论文 第一章 绪 论 接;并且密封圈的好坏，以 及螺母的 松紧度直接影响其密封性能，因而需要专用密 封圈，采取一定的措施防止螺母松动。 2形状记忆合金管道连接 针对高温高压或强酸强碱作用下焊缝应力腐蚀和管接口 介质腐蚀十分严重这一 情况，二十世纪九十年代，天津市功能材科开发公司成功研制了一种铁基形状记忆 合金管道连接技术，其中同步记忆固化管道连接技术和稀土铁基形状记忆合金的开 发均属国际首创5 。 该技术适用于防腐、密封、耐高压管道的连接， 特别是高压大 口径管道的连接，具有一定的创新。 该连接方法是利用铁基形状记忆合金的记忆功能和特殊的界面强化作用来连 接管道，其基本原理是预先在被连接管端部外表面涂敷强化剂，然后将两管分别从 两端插入扩孔后的形状记忆合金管接头中，再以低温加热管接头，管接头因受热而 恢复记忆形状， 待加热停止后冷却收缩， 紧固管道 ( 如图1 - 2 所示) ，即可达到管道 可靠连接的目的。 记忆合金接头 c a ) 涂敷强化剂后将管子插入管接头内 ( b ) 用加热器加热管接头 ( c ) 冷却收缩后连接的管道 图1 - 2形状记忆合金管道连接的步骤 与其他连接方法相比， 形状记忆合金管道连接可用于不锈钢管线及所有金属外 壳的塑料复合管线，其防腐、密封、耐高压性能好，但是其连接周期长，加热不方 便，通常用于大型等径管道的连接。 3 . 管道冷挤压连接技术 冷挤压连接技术是最近提出来的一新概念。它是指金属在低于再结晶温度下或 其他材料在低于熔点的条件下，同种材料、两种或多种材料之间，利用媒介或不利 用媒 介， 在外力的 作 用下产生弹 塑性变 形， 使之实 现相互连接或密 封的 技术19 1 。 管 道冷挤压技术是在冷挤压连接技术的 基础上提出 来的一种新型管道连接技术。该连 接技术一般是通过专用工具对接头施加一定压力，在一定挤压速度下使接头产生塑 中南人学硕l 学位论文 第一章绪论 性变形，填满接头与连接管道之间的间隙，从而实现管道的连接，如薄壁金属管道 的扣压连接、冷挤压环连接等。 该连接技术在连接前一般不需要对管道进行任何初始加工，只要选用一定的连 接设备和接头配件，并在一般的环境下就可以实现连接；其连接效率高，不会对环 境造成任何危害；其使用范围较广，有望用于薄壁金属管道的连接。 1 2 冷挤压连接方法的研究现状及发展 冷挤压连接技术是最近发展起来的一种新型连接技术，该连接技术的应用大大 促进了管道连接方法的发展：由原来主要适用于胶管接头的连接，到现在的薄壁金 属管道的连接；由径向推进实现扣压连接到本文所研究的轴向推进实现径向箍紧连 接；其连接设备也由重型向轻便型转变。下面将主要介绍管道冷挤压连接的各种形 式及其发展。 1 2 1 扣压连接的研究现状 扣压连接是通过扣压设备的径向扣压，使得套筒的径向缩小，紧紧地套在内部 管道或芯管上，从而实现连接。随着扣压设备的发展，现在扣压连接方式已得到普 遍应用，包括高压胶管接头的扣压连接和薄壁金属管道的扣压连接。 1 高压胶管接头的扣压连接 高压胶管接头一般采用扣压连接。把胶管和接头套装好后，将其外套放置在专 用设备扣压机上扣压，外套产生径向收缩，从而使接头和胶管结合在一起。扣 压式胶管总成是不可拆卸的固定管接头结构，扣压式结构具有良好的耐拔脱和密封 性能。这种结构能在橡胶层和接头间形成很大的央紧力，接头的密封是由胶管的内 胶层借助于外套和芯子使内胶层变形来完成的( 如图1 3 ) ，连接强度是利用直接加 压外套使胶管得到一定的压缩量，从而紧固编织层( 或缠绕层) 的钢丝来保证的。 1 芯管2 外套 图卜3 胶管接头的扣压连接 胶管接头的芯子由两部分组成，一部分是与中间接头或机体相连的接头部分， 还有一部分是与胶管相连的芯杆部分。芯杆圆周上有光滑凸凹锯齿，形成密封介质 的迷宫式曲径阳l ，通过挤压外套使其变形来达到固结芯子和胶管的目的。因为扣压 4 ! 堕查兰堡主堂焦丝塞兰二兰! i 羔 时外套要发生变形，所以外套材料不需要很高的强度和硬度，故外套材料采用1 5 钢 。外套内孔是具有强力抓着力的锯齿形结构，内齿与钢丝紧密抓着，形成很高 的抗拉力。 该连接方法在胶管的连接中：连接效率高、质量稳定性好、连接强度高、密封 性能好，但在薄壁金属管道的连接中，若采用该连接方法则难以达到所要求的密封 性能与抗拉能力。 2 薄壁金属管道的扣压连接方式 二十世纪八九十年代美国的v i c t a u l i c 公司提出来了一种主要适用于薄壁铜管和 不锈钢管的扣压连接方式【1 2 】 1 3 】。该连接方法操作简单，连接前不需要对所连接管道 进行任何机加工，只要选择好所需要的接头，将两管直接插入所选的接头，用专用 的扣压设备扣压则可。接头的形状及管道的承插情况如图1 4 ，其中右半部分为扣 好了的，左半部分为未扣好的。 图卜4 金属管道的扣压连接 该连接方法主要用于低压( 一般小于2 m p a ) 不锈钢管、铜管等薄壁管道的连 接。在该连接方法中，其连接强度主要靠接头上的径向扣压凹槽来保证，连接强度 的大小直接取决于扣压量的大小，以及管道材料本身的强度；其密封性能主要靠接 头两边扣压紧的密封圈来保证，要确保获得良好的密封性能，必须根据管道内部流 体的性质如有毒性、温度等条件选用合适的密封圈。 该连接方法的不足是抗弯性能较差，连接接头较为复杂，同时其密封需要靠合 适的o 形密封圈来保证。 综上所述，扣压连接方式可以用于薄壁金属管道的连接，但其连接设备较为笨 重，结构较为复杂，一般需要其他介质( 如橡胶) 来进行密封，且其连接强度一般 不高。 中南犬学领+ 学位论文 第一章绪论 1 2 2 冷挤压环连接的研究现状及前景 冷挤压环连接的最早的应用可以追溯到木桶箍对木桶板块的连接，通过桶箍轴 向推进，由于木桶外表面的锥度，桶箍对木板产生径向箍紧，从而把木桶的每一块 木板紧紧地捆固在一起。该应用只是起箍紧或捆系作用，直到二十世纪末，德国最 早提出了单环连接这种连接方法，并成功用于冰箱制冷系统的管道连接。 2 0 0 0 年初，中南大学机电院液压所和长沙花纹铝板厂合作，对该连接方法进行 了研究，并于2 0 0 1 年开发了单环连接的整套设备( 连接装置和动力站) ，其连接装 置以及连接好的管道如图1 5 所示。冷挤压环连接主要用于取代冰箱的毛细管的焊 接连接方式，以提高生产效率，降低成本，降低氟里昂的泄漏。通过对该连接技术 的推广，现已在华凌、伊莱克斯、科龙等大型家电厂内投入使用。 1 5 单环连接方法及其连接好的管道 和薄壁金属管道的扣压连接方式不同，该连接方法是通过连接环的轴向推进、 在连接环内锥面的作用下，产生径向箍紧，从而实现管道的连接。随着连接管道直 径的增大，该连接方法由单环连接开始向双环连接转变。由于管径的增大，单环连 接设备受到限制，同时由于单环连接前需要对管道进行初始成型，影响到连接的效 率，因而出现了双环连接。 国内还没有采用双环连接，也还尚未有人对其进行研究。双环连接与单环连接 的连接机理相似，但它在连接前不需要对连接管道进行初始加工，只要选用一个合 适的过渡接头，多一个连接环就可以实现连接。无论是单环连接还是双环连接，都 还停留在小范围的应用阶段，国内外对其连接机理与连接质量控制等方面尚无做详 细和深入的研究。 6 中南大学硕十学位论文 第一章 绪 论 该连接方法和上述其他管道连接方法相比，其连接装置简单， 操作方便， 其连 接强度高，密封性能好;同时可以降低成本，大大地提高连接效率，容易实现自 动 化;有利于环境保护和节省能源等。随着管道冷挤压环连接技术有关理论研究的进 一步深入，将会进一步提高冷挤压环连接技术的发展和应用。 1 . 3 课题的来源、任务和意义 1 . 3 . 1 课题的来源 岳阳恒立公司在空调制冷系统的生产中发现:在管径为4 ) 1 2 - 3 0的管道焊接中 不仅焊接效率低，而且容易引起泄漏等问题。同时，对于大型发电机组、空调和工 业锅炉等设备中的管道连接来说，其连接质量要求高，往往具有连接量大，管材往 往为金属材料， 传统的焊接等连接方法不能满足以上要求。 鉴于生产中存在的问题， 初步提出了 “ 管道冷挤压环连接技术”这一研究课题。 2 0 0 0 年初， 中南大学机电院液压所和长沙花纹铝板厂签订了有关共同研制冷挤 压环连接设备的技术合同， 并于2 0 0 1 年通过了技术鉴定。 该技术已成功用于冰箱制 冷系统的管道连接。但该连接技术的应用范围很窄，主要用于冰箱管道连接，且其 管径一般小于(b 1 2 ;同时由于管道冷挤压环连接技术的连接机理及其质量控制，国 内外尚未有人对其进行详细和深入的研究。因此，将 “ 管道冷挤压环连接技术”作 为我所重要的研究与发展方向之一。 鉴于生产中存在的问题和理论研究的需要， 故提出了“ 管道冷挤压环连接技术” 这一现实课题，并对该课题展开了研究。 1 . 3 . 2 课题的任务 冷挤压环连接为新出现的冷挤压连接技术，国内外对其理论研究较少。影响冷 挤压环连接的连接质量的因素很多，要获得最优连接质量，必需根据密封原理和连 接强度确定各因素对连接质量的影响。因此，本课题必须完成以下任务: 1 ,薄壁金属管道冷挤压环连接工艺及其设备的 研究与开发 连接工艺及其对连接质量的影响; 管道冷挤压环连接中连接装置的设计及其基本参数的确定。 2 、薄壁金属管道冷挤压环连接的力学模型及其连接机理的研究 管道冷挤压环连接的力学模型; 确定薄壁金属管道冷挤压环连接方法中管道的弹塑性变形情况; 确定其变形的形态对连接质量的影响程度和规律。 3 ,影响冷挤压环连接质量的因素以及提高连接质量所要采取相应的措施 连接环的形状及尺寸与连接强度和密封性能的关系: 中南大学硕士学位论文 第 一 章 绪 论 冷挤压变形的形态与连接强度和密封性能的关系; 被连接材料的机械性能和物理、化学性能对连接质量的影响。 4 、 从冷挤压环连接的连接力的测量、 抗拉性能和密封性能等实验， 验证该连接 方法的可行性和优越性。 1 . 3 . 3 课题的 研究方法 在管道冷挤压环连接的过程中，接头部位的受力情况较为复杂，其中伴随着非 线性接触等问 题，因而有必要选择一个适合环连接的研究方法。该论文主要用到了 解析法、工程近似法、数值分析等方法对该连接过程进行了分析和模拟。 解析法 从弹塑性理论出发，使用方程直接推导出解析解，从而求解所需的外载以及连 接管道在外载荷作用下的应力分布，该方法一般计算量大，难以求解还需借助别的 计算工具。 工程近似法 以材料力学、弹塑性理论为基础，对环连接部分进行一定的简化，将连接环的 变形忽略不计，把该连接过程简化为缩口过程，这样连接环就相当于模具，内套管 就相当于空心芯子，外套管或过渡接头就相当于要缩口的管子。这样就可以简化力 学模型，得出连接力的大小，及其影响因素。 数值分析方法 数值分析方法有很多种， 如有限差分法、 有限 元法、 边界元法、 加权余量法等。 以计算机为基本手段的有限元法能够解决复杂的边界条件、非线性问题。对于处理 受力情况较为复杂的环连接过程中的应力和应变分析来说，是一种很好的理论方法 和手段。目前国际上面向工程应用的有限元通用程序多达几百种，其中主要有: a n s y s , d y n a 3 d , n a s t r a n , s a p , a s k a , a d i n a等。考虑到环连接中的复 杂的力学性能，本文采用a n s y s 有限元法对该过程进行分析。 优 化 方 法 与c a e 14 1 c a e( 计算机辅助工程) 作为缩短产品开发周期的得力工具， 被越来越频繁地 引入了产品的设计与生产的各个环节，以 提高产品的竞争力。在保证产品达到某些 j胜 能目 标并满足一定约束条件的前提下，通过改变某些允许改变的设计变量，使产 品的指标或性能达到最期望的目 标， 就是优化方法 1 5 1 在较多的综合软件中，a n s y s是一个集结构、热、电磁、流体分析能力于一 身的c a e软件; 它具有较强大的前后处理能力， 尤其在智能网格划分器上有卓越特 点;非线性的收敛控制具有智能化，对大多数工程问 题不需人工干预便能完成非线 性问 题的收敛;它还具有一个被其用户推崇 “ 无所不能”的参数化设计语言 一一 a p d l ，该语言具有参数、 数学函数、宏 ( 子过程) 、判断分支及循环等高级语言 要 中南大学硕 l 学位论空第一章 绪 论 素， 是一个理想的 程序流程控制语台: 它的前后处理及求解数据库的统一性及不同 平台数据库兼容的 特点使它很适合于进行高级的优化分析 1 6 ) 1 . 3 . 4 课题的研究意义 在许多领域， “ 冷挤压环连接技术” 与传统焊接工艺和螺纹连接等连接技术相比 具有明显的优势，该技术不仅能进一步提高管道的连接质量和生产效率，而且还有 利于保护环境、节约能源，并易于实现自 动化等优点，它可以 在许多领域取代焊接 等传统连接方法。该技术己经在冰箱、空调等设备的管路系统中得到了较为广泛的 应用， 但是国内外尚未有人对其连接机理及其相关理论进行较为深入和系统的研究; 而且目 前在连接设备和连接环的设计中，往往需要通过大量的实验来确定其参数， 所需周期长、费用高，不能很好的满足现代生产实际的要求。因此对该课题的研究 具有较为深远的意义。 通过对管道冷挤压环连接技术的研究，可以为连接设备和连接环的设计提供依 据:并通过 a n s y s有限元软件分析了环连接中接头处的应力分布和变形形态，了 解了其连接与密封的效果，为如何提高连接质量和环的合理设计提供方法与途径。 随着管道冷挤压环连接技术有关理论研究的进一步深入， 将会进一步促进冷挤压环 连接技术的发展和应用。 中南大学硕士学位论文第二章环连接技术的 连接过程与连接机理的分析 第二章 环连接技术的连接过程与连接机理的分析 绪论部分中有关环连接研究现状的概述表明，国内 外还没有人对环连接的连接 过程与连接机理进行较为详细的研究。由于该课题研究的需要，本章将对单环连接 与双环连接的连接过程、连接机理以 及连接中的稳定性等方面进行研究与分析。 2 . 1 单环连接的连接过程及其连接机理 在冰箱、空调管道的冷挤压单环连接中，主要分三步进行。首先需要对管道进 行端部成型以调整管道的直径，以满足两管承插后之间的间隙，然后在内套管上施 加小滴密封剂， 并把内 套管插入外套管，从外套管连接处的 端部箍入连接环，连接 环在连接设备的作用下沿轴向 推入箍紧管道，从而实现两管道的相互连接和密封。 2 . 1 . 1 管 材端部成型的 研究 在该研究中， 管材的端部成型属于单环连接的前期工作， 主要包括扩口和缩口， 在等径管道中，可以对任一管道进行扩口;对于异径管道，可以对大径管道进行扩 口 或缩口以实现管道的相互承插。 1 . 扩口 管材的扩口 加工是将管坯端部口 径扩大的一种成型工艺。 根据管件的使用要求， 扩口 加工可以 制造出 管端为锥形、筒形或者其他形状的零件。管材的扩口 工艺在管 件的连接中得到广泛的应用，最常见的管端扩口形式如图2 - 1 所示。 dl r 一 一 一 i dl一斗1!一111!111 ( a ) 斜口 伪)直口 ( c )球面 图2 - 1管端扩口 形式 中南大学硕士学位论文第二章环连接技术的连接过程与连接机理的分析 在环连接中，当 两管材的 直径相等或较为接 近时， 一 般采用图2 - 1 中 ( b ) 直口 形 式进行扩口。 扩口 时管材的约束形式如图 ( 2 - 2 ) 所示， 本研究中采用图2 - 2 ( b ) 的形 式; 若采用图2 - 2 ( a ) 的约束形式， 则当管材较长 时， 相对壁厚t / d较小时， 容易引 起 压弯、压折、局部胀大等失稳现象 ( 将在2 . 1 . 2 小节进行分析) 。 在冰箱、空调管道的单环连接过程中，当两管管径相等或相差不到壁厚的两倍 时，可对大管径管道进行扩口 操作，从而使小管径管道能插入大管径管道。扩口 尺 寸可根据两管装配间隙的要求而确定， 一般取间隙为0 . 1 5 士0 .0 5 m m。 两管之间的间 隙过大，连接时难以填补两管之间的间隙，影响管道接头的密封性能;间隙过小， 难以在间隙中加入密封剂，同样影响着环连接接头的连接质量。 根据扩臼的变形特点，我们把扩 口管分成传力区( a b 段) 、 变形区( b e 段)和己变形区 ( c d段) ，如图 2 - 2 所示。 传力区在稳定扩口加工过程中 不允许产生明显塑性变形， 这一区域 将模具作用力传递给变形区。 变形区 在变形过程中产生显著的塑性变形， 将变形坯料的形状转化为零件所要 求的形状。 已变形区是己经经历过变 形部分， 它形成了零件所要求的部分 形状。 在环连接方法中要求已变形区 b e 段的长度为1 0 - 1 5 m m左右，从而 使两管之间获得一定的装配长度。 在 扩口成型过程中， 变形区开始逐渐增 大， 传力区相应减小， 使传力区材料 逐渐向变形区转移。 当扩口变形进行 ( a ) 图2 - 2扩口中的约束形式与变形区 域 到一定阶段时，变形区的尺寸不再发生变化，使从传力区进入变形区的金属体积和 从变形区转移到己变形区的金属体积相等， 即到达稳定变形阶段。 在该变形阶段中， 传力区不断减小，已 变形区不断增大，而变形区的尺寸及其应力的数值与分布规律 都不变。由 于成型过程中传力区起着把模具作用力传递给变形区的作用，所以 传力 区和变形区之间的界面上的内力性质及其大小完全相同。 在同一内力作用下，由于 两区域坯料的几何形状、尺寸和他们的相互关系不同，可能在两区内产生的变形方 式不同，所以必然有一个区域所需变形力较小，因而首先进入塑性屈服状态并开始 产生塑性变形。当变形区或传力区有两种以上的变形趋向时，则首先发生的是需变 形力最小的变形方式。为使扩口 变形顺利进行，必须通过合适的约束保证扩口 变形 中南大学硕上 学位论文 第二章环连接技术的连接过程与连接机理的分析 区为相对的弱区，以 便把塑性变形局限于变形区，并排除传力区产生的塑性变形的 可能性。对于图2 - 2 所示的扩口 成型过程，在传力区与变形区的分界面上的应力为 二 ， 由 于 传 力 区 产 生 的 塑 性 变 形 的 方 式 为 徽 粗 ， 其 变 形 所 需 的 压 应 力 为 。 ， 故 不 产生墩粗变形的条件是; q 6 ya ( 2 - 1 ) 扩口 变形时扩口力f在加工过程中对传力区产生的相应的应力是: v ,= 里 ( a 为 传 力 面 积 ) a 根据以上分析，在扩口 成型过程中，为使传力区不产生塑性变形 讯 v w ( 2 - 2 ) 必须满足: ( 2 - 3 ) 在实际的扩口变形中， 变形区受切向拉应力的作用. 产生切向 伸长变形。 越靠 近变形区的外缘( c 处) ， 切向 拉应力越大， 故壁厚减薄越严重; 若扩口 变形程度扩大， 则扩口边缘容易因过度变薄而导致破裂。因扩口凸模的材料的墩粗作用以及摩擦的 明显效应， 且切向拉应变又较小， 因此传力区和变形区交界区域部位壁厚略有增加。 而在传力区a b 段上，由 于承受全部扩口 压力f 。 若采用图2 - 2 ( b ) 的约束形式，当管 坯较长，相对壁厚u d较小时，容易引起部分胀大等稳定性问题 ( 这由后面的稳定 性分析可以 推知) ，因此防止变形区破裂和传力区部分胀大是扩口成型的主要问题， 并且一此扩口变形的极限变形程度，也主要是受上述因素的影响，在扩口变形中最 容易出现的缺陷是端部开裂，喇叭口 壁厚过度变薄，造成喇叭口横向裂纹。造成这 种缺陷的主要原因是:材料表面有较多的拉痕或滑痕，或者端部存在毛刺，因此 在扩口时，上述缺陷易引起塑性变形区的应力集中从而导致纵向开裂; 刚性凸模 与夹紧工具的轴线不重合，扩口时管壁受力不均;管料组织不均匀，热处理状态 不合要求。下面对扩口变形参数作进一步的分析: ( 1 ) 壁厚变化 壁厚的 变化与扩口 方法有关。 当 采用冲压扩口 时， 扩口 外缘壁厚由 下式 1 7 1 计算: 2 t t, 一 几 歹了 丁 下 歹下 j一 d一t 、d一 t ) ( 2 - 4 ) 式中: t , 一扩口 外缘壁厚; d , 一扩口 外缘直径; 卜扩口 前管坯壁厚; l ) 一 扩口前管坯外径。 ( 2 ) 扩口 变形程度 扩口 变形程度以 扩口 部分的最大切向变形来衡量，可通过扩口 率和扩口 系数来 反映其变形程度: 中南 大学硕士学位论文第二章 环连接技术的连接过程与连接机理的分析 扩 口 率 。 = 卫 二 卫 x 1 0 0 % d 扩 口 系 数 k = d ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 由式( 2 - 5 ) 与式 ( 2 - 6 ) 可得: 扩口 率和扩口 系数越 大，则表示扩口 变形程度越大; 变形程度越大，就 越容易在扩口 管件端部产生破裂。因此，锥形凸模 一次冲压扩口 的变形程度受变形区材料破裂和传力 区失稳的限制，故它应该小于某一极限 值， 这一极 限值即极限扩口系数，用k m a x 来表示。 根据文献1 1 7 ) 中 传力区的失 稳理论可得， 极限扩 口系数k 二 为: 丹才 门 尸 恻 lesesesesesj 五 y 1 q y 1 . 1 ( 1 + tg rr / u ) 一 厂!lesesl -一 鱿 m k 式中;。 一凸 模半锥 角 ( 。 ) : p 一摩 擦系 数， 可取0 .2 ; c k 一 抗 失 稳 的 临 界 应 力 m p a ) ; 。 ， 一 变 形 区 平 均 变 形 抗 力 。 4 p a ) - ( 3 ) 扩口 管坯尺寸 在工艺要求下，扩口端部最后己变形部分壁厚为 图2 一 3 扩口中管道的尺寸变 化 图2 - 3 所示的锥形扩口， 呈锥形部分的变形区对应管坯的 已变形区的长度, , d 。对于 长度 t o 为: t o = 2 + k + 令 (， + ( 2 - 8 ) 式中:去 一 变形区在轴向的投影长度; r , t , a 与前面公式中 含义 相同 己 变形 部 分 所需 管 坯 长 度la : h 二 玉 立 a ( 2 - 9 ) 式中 ; a o 一已 变 形区 的 横 截 面 积 恤扩) a -坯 料管 是 横 截 面 积 ( m m 2 ) o 因而扩口 过程结束后，发生过一定变形的原始管坯的长度为: l a , = 1a , 十 1. ( 2 一 1 0 ) 而发生变形部分后对应的轴向 投影长度为: 一 一 1一 : d , 一 川， 2 1 , ( 2 - 1 1 ) 中南大学硕士学位论文 第二章 环连接技术的连接过程与连接机理的分析 通过计算，扩口 变形后，长度略有变短。 ( 4 ) 扩口 力 本研究中，采用刚性锥形凸模冲压扩口 ( 如图2 - 2 ) ，单位扩口压力为: ; = 1.156 , - 止 匕 一 一，n k + 厚 x sin a l ， 一 f u 一 c o s a、v 书少 ( 2 - 1 2 ) 传力区在加工过程中所承受的轴向 压力为: 尸 = p x a , ( 2 - 1 3 ) 轴向压应力为o = p i a ，由于在这里传力区i.6较短， 通常不会出 现失稳现象， 把6 代 入 式 ( 2 - 7 ) 的 6 k ， 则 可以 算 得k ， 若k k _ . ， 则需 要 多 次 扩口 成型， 否 则 会 导 致管 材 端部 开 裂。 2 . 缩口 成型 与管材的扩口 工艺相反，缩口 成型是将管坯的端部直径缩小的成型方法。为了 装配的需要，有时需要将管口的直径作较小程度的缩小，这就是缩口，有的场合也 称为收醉1 7 1最常见的管端缩口 形式如图2 - 4 所示。 ( a ) f 4 口 ( b ) 直口 图2 - 4缩口形式 ( 0 )球面 本文采用如图 2 - 4 ( b ) 所示的直口 形式，并在缩口 模具的 冲压作用下进行缩口。 同 扩口 变形相类似，缩口 变形