差厚拼焊管内高压胀形几何形状变化规律研究

差厚拼焊管内高压胀形几何形状变化规律研究,姓 名：唐 巧班 级：材料0701院 (系)：材料科学与工程学院指导老师：李兰云,西安石油大学本科毕业设计(论文),论文提纲,1 绪论 2 差厚拼焊管有限元模型的建立 3 有限元模拟结果的分析 4 总结,西安石油大学本科毕业设计(论文),1 绪论,选题背景,西安石油大学本科毕业设计(论文),内高压成形是一种加工空心轻体的先进制造技术。管件液压成形技术又称为内高压成形技术。内高压成形具有质量轻，强度与刚度好，零件和模具数量少和成本低等优点 。 差厚拼焊管内高压成形是用不同壁厚的焊接管材作为坯料，通过在管材内施加液体压力把管材加工成为所需形状的零件。,1 绪论,课题的意义 许多学者都做了差厚拼焊管内高压胀形的研究，用的材料主要是钢材。胀形中出现的缺陷和胀形中的几何形状有关，研究几何形状的变化可以为后续的研究做铺垫。本设计主要用铝合金作为拼焊管的材料，研究差厚拼焊管内高压胀形几何形状变化规律。,西安石油大学本科毕业设计(论文),2 差厚拼焊管有限元模型的建立,ABAQUS软件的介绍,ABAQUS是一套功能强大的工程有限元分析软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。它包括一个非常丰富的、可模拟任意形状的单元库，以及与之相对应的各种类型的材料模型库 。作为通用的模拟计算工具，ABAQUS能解决结构的许多问题。,西安石油大学本科毕业设计(论文),2 差厚拼焊管有限元模型的建立,本设计用的三维有限元模型包括两个相同的约束模具和差厚拼焊管三个几何实体。尺寸如上图所示。,西安石油大学本科毕业设计(论文),2 差厚拼焊管有限元模型的建立,拼焊管用的是有限元为可变形体，模具用的是解析刚体。模型在创建好之后要给拼焊管赋于铝合金材料。,西安石油大学本科毕业设计(论文),拼焊管几何模型 模具几何模型,2 差厚拼焊管有限元模型的建立,差厚拼焊管模型与模具的装配 差厚拼焊管模型与模具建立好之后都在自己的坐标系中，在装配中就是把两个模型放到一个坐标中装配好。分析步骤 在装配好模型之后就可以在分析步骤中设定加载的幅值曲线，主要包括加载的时间和加载过程中的步长。,西安石油大学本科毕业设计(论文),2 差厚拼焊管有限元模型的建立,西安石油大学本科毕业设计(论文),施加载荷,约束条件,2 差厚拼焊管有限元模型的建立,网格的划分 网格的划分是有限元模型的一个重要的环节，本设计用的网格单元是边长为2mm的八节点的六面体单元。选好尺寸，撒好种子，在用ABAQUS中的默认方式划分。上图为划分好的网格。分析计算 前面的步骤做好之后，就是可以输入参数进行计算，输入的文件可以改变所加的压力和幅值曲线等。,西安石油大学本科毕业设计(论文),3 有限元模拟结果分析,有限元模拟可靠性分析 根据能量条件来判断模型的可靠性。外界对工件做的功转变为工件的内能和动能，外力功转变为内能愈大，动能越小，模拟的结果的可靠性越高，一般来说，如果成形过程的绝大部分时间内动能和内能的比值小于10%，模型就是可靠的。,西安石油大学本科毕业设计(论文),3 有限元模拟结果分析,管厚差异的表征方法厚度比：t= tk/ tn tk 厚壁管的壁厚 tn 薄壁管的壁厚,西安石油大学本科毕业设计(论文),3 有限元模拟结果分析,焊缝初始位置的表征方法 长度比：l=Ln/Lk Ln 薄壁管的初始长度； Lk 厚壁管的初始长度。,西安石油大学本科毕业设计(论文),3 有限元模拟结果分析,管厚差对差厚拼焊管内高压胀形几何形状的影响 本设计用径向位移来说明差厚拼焊管胀形的大小及几何形状的变化，管厚差是差厚拼焊管的主要特征。管厚比分别用1.1、1.2、1.3、1.5、2.0的模型来对比分析几何形状的变化及应力应变的分布规律。,西安石油大学本科毕业设计(论文),3 有限元模拟结果分析,厚管与薄管胀形后的差异较大薄管胀形之后为椭球形，厚管胀形之后为锥形管厚比越大，厚管胀形越不明显,西安石油大学本科毕业设计(论文),长度比l=0.5时不同管厚比的径向位移随距厚管端面距离的曲线图,3 有限元模拟结果分析,管厚比不同，应力的分布规律时相同的。在单个薄管或厚管中，应力由两端向中间逐渐递减；薄管与模具或焊管连接处的应力是最大的。,西安石油大学本科毕业设计(论文),拼焊管的应力分布,t=1.1 t=1.5,3 有限元模拟结果分析,应变的分布规律也是相同的。厚管的应变为零，说明厚管基本不变形；而薄管由两端到中间，应变逐渐增加。并且管厚比不同，薄管的变形大小不同，管厚比越大，薄管上的最大的应变值越小，说明变形量就越小。,西安石油大学本科毕业设计(论文),t=1.1 t=1.5拼焊管的应变分布图,3 有限元模拟结果分析,西安石油大学本科毕业设计(论文),五个位置焊缝的示意图,焊缝位置是差厚拼焊管内高压胀形的一个重要的参数,3 有限元模拟结果分析,薄管和厚管发生胀形的大小都不相同，薄管的胀形始终大于厚管的胀形。 厚管越长，厚管的胀形越大，薄管的胀形越小。发生胀形之后薄管的外形为椭球形，厚管的外形为圆锥形。,西安石油大学本科毕业设计(论文),管厚比为1.1时不同焊缝位置处，径向位移随距厚管端面距离的曲线图,3 有限元模拟结果分析,应力分布的规律是相同的。对单个薄管或厚管来说，应力分布由管的两端向中间逐渐递减。薄管与模具或焊缝相连处的应力是最大的。最大的应力随着胀形量的增加而增加 。,西安石油大学本科毕业设计(论文),l=0.5 l=1.0 拼焊管应力分布图,3 有限元模拟结果分析,应变的分布规律也是相同的，厚管的应变为零，薄管的应变由薄管两端到薄管中间胀形最大处，应变逐渐增加。,西安石油大学本科毕业设计(论文),l=0.5 l=1.0拼焊管的应变分布图,3 有限元模拟结果分析,焊缝位置不同对于差厚拼焊管胀形的影响较大。即使在同一压力下，厚管越短，薄管发生的胀形就越大，甚至发生胀破现象。左图中应力为零，说明管子已经胀破。,西安石油大学本科毕业设计(论文),l=2.0 时胀破的应力图,4 结论,差厚拼焊管内高压胀形的几何外形变化为：厚管为圆锥形变化，薄管为椭球形变化，并且总是薄管优先发生胀形直到胀破，厚管总是滞后于薄管发生胀形； 厚度比越大，薄管与厚管胀形的差异越大基本，管厚比增加到一定的时候，薄管的胀形减小，厚管基本不发生变形；,西安石油大学本科毕业设计(论文),4 结论,西安石油大学本科毕业设计(论文),焊缝越靠近厚管位置，即薄管越长，薄管的