内螺纹铜管胀接成形有限元模拟分析

内螺纹铜管胀接成形有限元模拟分析FEM Simulation of the Expansion Forming of Inner Grooved Copper Tubes 林涛 刘劲松 张士宏(中国科学院金属研究所，沈阳市文化路72 号，沈阳110016)摘 要: 借助大型非线性有限元软件MSC.Marc，应用弹塑性有限元法模拟了内螺纹铜管胀接的工艺过程，研究了铜管与翅片的变形规律，分析了芯头形状对成对形性的影响。结果表明，胀管连接后，内螺纹齿变短、变粗，发生侧移，铜管与翅片之间存在间隙。芯头直径Db与前段弧长半径Rf对“减薄率”、间隙高度和变形力的影响最大，而中间段长度Lm和后段弧长半径Rb的影响很小。关键词: 内螺纹铜管 胀接工艺 有限元Abstract: Applying 3D elastic-plastic FEM, the simulations of the expansion forming of inner grooved copper tubes were carried out with the aid of nonlinear FEM software MSC.Marc. In this paper, the deformation law of tube and fins is studied and effect of the die shape on forming quality is analyzed. The results indicate that after mechanical expansion，the teeth of grooves become shorter and wider while the shift of teeth occurs, there are inter-spaces between the fin collar and the tube. Outer diameter and radius of the front part of the expanding die have significant effect on the reduction of tube, the gap height and the deformation resistant force, while length of the middle part of the expanding die and radius of the backward part of the expanding die have little influence.Key words: inner grooved copper tube，the expansion forming，FEM1 引言胀管连接（胀接）是依靠换热管和翅片的弹塑性变形协调关系来达到紧固的一种机械连接方法。该工艺具有连接紧密，便于大规模自动化生产等特点，因而广泛地应用于空调制冷业用管-翅式换热器板的生产中。目前，胀接工艺已被广泛地研究。Yokell主要研究了胀管后翅片-管材之间的残余应力的情况1。Almeidaa等人评价了胀管后管壁厚的变化规律2。唐鼎等人对内螺纹管的胀接工艺进行了较为深入的研究，分析了内螺纹齿形状和尺寸对成形质量的影响，以及模具形状对成形质量的影响3。本文采用目前世界上最为先进的非线性有限元分析软件MSC.Marc，对内螺纹管与翅片的胀接过程进行了有限元分析，主要研究了胀接工艺的变形机理，分析了芯头形状对胀接成形的影响。目的是理解胀接工艺及及其参数影响规律，以期望对指导实际生产过程有所帮助。2 基于MSC.Marc软件的胀管过程模拟胀管工艺如图1所示3。图中“换热管”为内螺纹铜管。图中“模具”表示胀管芯头，其实际结构如图2所示。描述芯头形状的几何参数有4个，分别为：芯头直径Db、前段弧长半径Rf、中间段长度Lm和后段弧长半径Rb。 图1 胀接工艺示意图3 图2 芯头几何形状Fig.1 Schematic of tube expansion process Fig.2 The shape of expanding die在软件MSC.Marc中建立有限元模型，如图3所示。图中“bullet”表示芯头，认为是刚体，不发生变形，其运动方向沿轴向；“fins”表示翅片，认为是变形体，由壳单元构成； “tube”表示内螺纹铜管，同样是变形体，由8节点六面体单元构成。在MSC.Marc软件中，不发生变形的刚体（模具）不参与力学分析，因而不设置其材料属性4。管坯的材料为磷脱氧铜（TP2），翅片为铝，相应的材料属性如表1所示。由于在胀接过程中产生热量很少，因而采用静力分析，不考虑温度的影响。图3有限元模型Fig.3 FE model表1 铜管、翅片的材料属性Table1 Mechanical properties of tube and fins材料属性铜管翅板弹性模量 E (GPa)泊松比屈服强度s (MPa )1170.33240800.3703 模拟结果分析3.1铜管的变形显而易见，胀管时铜管的变形是扩径的，即底壁是扩径、减薄的，因而本文主要关注铜管螺纹齿形状的变化。概括来说，螺纹齿的变形情况为：变短、变粗，发生侧移，如图4所示。图4a)表示胀管前螺纹齿的形状；图4b)表示变形后内螺纹齿的形状。对比图4a)和图图4b)可以看到，螺纹齿轴向缩短，即螺纹齿发生了变短、变粗的变形，此外还发生了微量的沿着周向的变形，即螺纹齿发生了侧移。 a) 胀管前螺纹齿的形状 b) 变形后内螺纹齿的形状图4 螺纹齿的形状Fig.4 section shape of the grooves3. 2 翅片的变形连接处翅片的变形情况如图5所示。图5中下方为铜管，上方“L”形为翅片。可以看到，“L”形翅片底部部分向铜管外部凸起，即铜管与翅片的连接并不是紧密连接，二者之间存在间隙。同时，“L”形翅片根部弯折，由直角变为锐角。图5 铜管-翅片的连接处Fig.5 Copper-tube joint3.3 芯头形状对铜管“减薄率”的影响规律本文关注芯头的4个参数对底壁减薄率与齿高“减薄率”的影响规律。为便于说明，这里将底壁厚度的减薄率和齿高的缩短率统称为“减薄率”，分别表式如下： (1) (2)其中，l底壁厚的减薄率;K齿高的“减薄率”; l胀管后的底壁厚度；k胀管后的齿高；l0胀管前的底壁厚度；k0胀管前的齿高；芯头形状对“减薄率”的影响如图6所示。图中可知，芯头直径Db的对“减薄率”的影响最大。Db增加，底壁厚度的减薄率和齿高的缩短率增加，即铜管变薄，螺纹齿变短。而前段弧长半径Rf、中间段长度Lm和后段弧长半径Rb的影响较小，Rf、Lm、Rb增加，齿高略有变化，而底壁厚度基本不变。 a) 芯头直径的影响 b) 前段弧长半径的影响 c) 中间段长度的影响 d) 后段弧长半径的影响图6 芯头形状对“减薄率”的影响Fig.6 Effect of the shape of die on reduction3.4芯头形状对间隙高度和变形力的影响规律芯头形状对间隙高度与变形力的影响如图7所示。可以看出，芯头直径Db、前段弧长半径Rf对间隙高度和变形力的影响较大，中间段长度Lm、后段弧长半径Rb的对间隙高度和变形力的影响很小：Db增加,间隙高度和变形力都增加；Rb增加，变形力增加而间隙高度减小；Lm、Rb增加，变形力和间隙高度变化很小。从上述影响规律可得，当芯头直径增加时，设备所耗功率增加；胀接后铜管与翅片的连接更不紧密，生产出的两器换热能力折损大。当前段弧长半径增加，也即芯头前段圆弧变平时，设备所耗功率也是增加的，但胀接后铜管与翅片的贴合得更为紧密，有利于提升成品质量。可见，芯头直径不可过大，否则会使生产成本增加，产品质量大大折扣。而前段弧长半径要适中，这样在保证产品质量的同时亦可降低成本。 a) 芯头直径的影响 b) 前段弧长半径的影响 c) 中间段长度的影响 d) 后段弧长半径的影响图7 芯头形状对间隙高度与变形力的影响Fig.7 Effect of the shape of die on the height of gap and the deformation resistant force4结论（1） 内螺纹管和翅片经胀管连接后，铜管的螺纹齿变短、变粗，发生侧移。铜管与翅片的连接并不是紧密连接，二者之间存在间隙。（2） 芯头直径Db对胀管成形的影响最大。Db增加，齿高和底壁的“减薄率”，螺纹齿的侧移程度以及连接处的间隙高度和变形力都会增加。Rf增加，连接处间隙高度减小，变形力增加。参考文献1 Yokell, S., Expanded, and welded-and-expanded tube-to-tube sheet joints. Journal of Pressure Vessel Technology (1992) 114, 157-165. 2 Almeidaa, B.P.P., Alvesb, M.L., Rosaa, P.A.R., Britoc, A.G., Martins, P.A.F., Expansion and reduction of thin-walled tubes using a die: experimental andtheoretical investigation. International Journal of Machine Tools & Manufacture (2006) 46, 1643-16523 Ding Tang, Yinghong Peng, Dayong Li, E