（機械設計及理論專業(yè)論文）電站鍋爐彎管成形質量分析及模具改進研究.pdf

哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 電站鍋爐彎管成形質量分析及模具改進研究 摘要 彎管技術廣泛應用于鍋爐及壓力容器制造業(yè) 汽車工業(yè) 航空航天工 業(yè) 船舶制造業(yè)等多種領域 占有十分重要的地位 但由于彎管工藝非常復 雜 單純采用理論解析方法難以準確可靠地解決實際生產問題 運用簡化力 學模型得到的經驗公式往往與實際結果有較大的出入 采用試驗手段又會造 成時間和人力物力上的很大消耗 本文運用m s c m a r c 有限元軟件對某鍋爐廠有限責任公司的冷彎管加 工過程進行計算機數值模擬 建立一套完整的有限元彎管模擬系統(tǒng) 試驗表 明該系統(tǒng)能夠準確預測包括橢圓度 減薄率 回彈量在內的彎管質量參數和 設備驅動力 根據分析對現有的大型冷彎管模具進行了改進 并設計出一套 具有實用價值的組合可調節(jié)式小型彎管模具 主要內容如下 1 通過對管件彎曲的受力狀態(tài)分析 建立了相應的有限元模型 推導 了應力應變場與能量公式 利用m s c m a r c 軟件對彎管系統(tǒng)進行了三維有 限元非線形模擬分析 為彎管成形質量分析奠定了一定的基礎 2 采用計算機數值模擬 有限元分析 理論分析與試驗結合的方法 對影響彎管質量的橢圓度 減薄率 回彈量等成形質量因素進行了研究 從 仿真角度研究電站鍋爐彎管生產工藝過程 預測該工藝的變形 以解決傳統(tǒng) 彎管工藝成形時彎管凸邊管壁受拉減薄 凹邊管壁受壓增厚而造成的彎管壁 厚不均勻現象及模具易損壞等問題 3 通過對成形質量的分析 對大型彎管機的滑槽進行了移動式改進 來解決一些厚壁管件無法彎制的問題 對小型彎管機設計了組合可調式模 具 可充分解決小管徑管材彎曲模具浪費問題 本文建立的彎管模擬系統(tǒng)對彎管加工流程進行有限元數值模擬 對彎管 橢圓度 減薄率 回彈量等質量參數和設備驅動力以及彎管質量影響因素進 行了研究 經過試驗驗證 本文所建立的有限元模擬系統(tǒng)遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的經 驗公式方法和試制法 已經在企業(yè)的實際應用中取得了良好的效果 關鍵詞冷彎管 數值模擬 橢圓度 減薄率 回彈 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 s t u d yo nf o r m i n gq u a l i t ya n a l y s i sa n di m p r o v e d d i eo fb e n d i n gt u b ea b o u tp o w e rp l a n tb o i l e r o n a b s t r a c t t h et u b e b e n d i n gt e c h n o l o g yh a sv e r yi m p o r t a n ts t a t u sw h i c hi sw i d e l y a p p l i e di nm a n yf i e l d s s u c ha sv e s s e lm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y a u t o m o b i l e i n d u s t r y a e r o s p a c ei n d u s t r y s h i p sm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y a n ds oo n 碭e b e n d i n gp r o c e s si sag r e a t l yc o m p l e xt e c h n o l o g y s ow ec a n tr e l i a b l ys o l v et h e a c t u a lp r o d u c t i o np r o b l e mt h r o u g ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i ss i m p l y t l l ee m p i r i c a l f o r m u l ao b t a i n e db ys i m p l i f i c a t i o nm e c h a n i c a lm o d e lo f t e nh a sg r e a te r r o r s i t h a c t u a lr e s u l t a n da d o p t i n ge x p e r i e n c ew a yo f t e nw a s t e sl o t so fm a n p o w e ra n d m a t e r i a lr e s o u r c e i nt h i sp a p e r w eh a v ef i n i s h e dc o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rc o l dt u b e b e n d i n gp r o c e s so fh a r b i nb o i l e rf a c t o r yb ym s c m a r cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r e a n dh a v eb u i l ta s e to fc o m p l e t ef i n i t ee l e m e n tt u b e b e n d i n gs i m u l a t e d s y s t e m w h i c hc a l le x a c t l yf o r e c a s tt u b e b e n d i n gq u a l i t yp a r a m e t e ra n dd e v i c e d r i v i n gf o r c ei n c l u d i n go r a l i t y t h i n n i n gr a t ea n dr e s i l i e n c ev a l u e b a s eo nt h e a n a l y s i s w eh a v ei m p r o v e dt h ee x i s t i n g c o l d t u b e b e n d i n gd i e a n d h a v e d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e das e to fp r a c t i c a l i t y c o m b i n e da d j u s t a b l et u b e b e n d i n gm o u l dt h r o u g h t l l ep r i m a r yc o t c n ti s 弱f o l l o w s 1 w eh a v ef i n i s h e db e n d i n gf o r c ea n a l y s i s b u i l tr e l e v a n tm e c h a n i c sm o u l d a n dd e d u c e ds t r e s s s t r a i nf i e l da n de n e r g yf o r m u l a a l lo ft h e s es e t t l eaa n a l y s i s f o u n d a t i o nf o rt u b e b e n d i n gt h r e e d i m e n s i o n a l f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a l s i m u l a t i o n 2 c o m b i n i n gc o m p u t e rs i m u l a t i o n f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h e o r ya n a l y s i s w i t h e x p e r i m e n t t h ep a p e rs t u d y o n q u a l i t yf o r m i n g f a c t o r ss u c ha s o r a l i t y t h i n n i n g r a t ea n ds p r i n g b a c k o nt h ev i e wo fs i m u l a t i o n w eh a v e r e s e s r c h e dt h e p r o d u c t i o np r o c e s s o ft u b e b e n d i n g a n dh a v ef o r e c a s t e d t r a n s f i g u r a t i o no ft h et e c h n i c s t h i sm e t h o dc a ne f f e c t i v e l ys o l v et h ep r o b l e m so f 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 t u b e b e n d i n gt h i c k n e s sa s y m m e t r y w h i c ha r ec a u s e db yt h ec h i m bo ft u b e b e n d i n gb e c o m i n gt h i n n i n ga n dt h e c o n c a v eo ft u b e b e n d i n g b e c o m e i n g i n c r e s s a t i o nw h e ns h a p eu pb yt h et r a d i t i o nt u b e b e n d i n gt e c h n i c s 3 a c c o r d i n gt oa n a l y z i n gf o r m i n gq u a l i t y w eh a v ei m p r o v e dt h es l o to f t h e t u b e b e n d i n gm a c h i n e s o l v e dt h ep r o b l e m st h a te q u i p m e n tc a n n o tb e n ds o m e t h i c kt u b e t h ec o m b i n e da c c o m m o d a t ed i ed e s i g n e df o rm i n i t y p et u b e b e n d i n g m a c h i n eh a v ew e l ls o l v e dt h ed i ew a s t ep r o b l e m s k e y w o r d sc o l dt u b e b e n d i n g n u m e f i c f ls i m u l a t i o n o r a l i t y t h i n n i n gr a t e s p r i n g b a c k i 哈爾濱理工大學碩士學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 此處所提交的碩士學位論文 電站鍋爐彎管成形質量分析 及模具改進研究 是本人在導師指導下 在哈爾濱理工大學攻讀碩士學位期間 獨立進行研究工作所取得的成果 據本人所知 論文中除已注明部分外不包含他 人已發(fā)表或撰寫過的研究成果 對本文研究工作做出貢獻的個人和集體 均已在 文中以明確方式注明 本聲明的法律結果將完全由本人承擔 作者簽名 才勞朔 日劫d 多年孑月 歲e l 哈爾濱理工大學碩士學位論文使用授權書 電站鍋爐彎管成形質量分析及模具改進研究 系本人在哈爾濱理工大學 攻讀碩士學位期間在導師指導下完成的碩士學位論文 本論文的研究成果歸哈 爾濱理工大學所有 本論文的研究內容不得以其它單位的名義發(fā)表 本人完全了 解哈爾濱理工大學關于保存 使用學位論文的規(guī)定 同意學校保留并向有關部門 提交論文和電子版本 允許論文被查閱和借閱 本人授權哈爾濱理工大學可以采 用影印 縮印或其他復制手段保存論文 可以公布論文的全部或部分內容 本學位論文屬于 保密口 在年解密后適用授權書 不保密團 請在以上相應方框內打4 作者簽名 導師簽名 于勞搠 瓠一桶 日期汐護呂年孑月 r 日 日期矽口多年 月 re l 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 1 1 引言 第1 章緒論 彎管作為金屬成形制造的一個重要組成部分漸漸引起了越來越多人的關注 和研究 在大的領域如航空航天工業(yè) 船舶制造業(yè)和其它兵工系統(tǒng)都廣泛應 用 在小領域中各種物料的管道運輸系統(tǒng)日益增多 如石油輸送管道 天然氣 輸送管道 輸水管道以及應用在各種機器中的小型管道管路系統(tǒng) 在這些管道 系統(tǒng)中 管道常需要改變方向1 1 1 那么 不可避免地要用到各種彎管 各種直 徑 各種角度的圓弧彎管大多是用各種手動或機械彎管機加工生產出來的 目 前 市場上加工彎管機械設備型號 規(guī)格非常多 其工作原理也有所不同 彎管的工藝過程是一個復雜的彈性 塑性變形過程 材料發(fā)生彈性或塑性 變形主要取決于材料內部的應力與應變 而材料內部的應力或應變主要由作用 在材料上的外載荷引起的 在彎管過程中 管子彎曲部分內部的應力及應變將 發(fā)生復雜的變化 應力及應變的大小 方向及變化速度將影響到彎管的質量 彎管過程中出現的各種質量缺陷 如外管壁出現裂紋 內管壁起皺 橫截面畸 變等 一方面與材料本身性質有關 另一方面與彎管機施加在管子上外載荷大 小 方向 速度及外載荷間相對位置有關 本文嘗試從分析彎管工藝過程的內 應力及應變入手 得出影響彎管質量的外在因素 為各種彎管機的設計 彎管 上工藝參數的選擇提供理論基礎上的支持 本文主要針對電站鍋爐的管件彎曲過程進行分析 冷彎管是彎管業(yè)現今比 較常用的管材彎曲方法 也是一種比較經濟簡便的傳統(tǒng)彎管方法 經實驗研 究 無論是跟據應變硬化現象還是形變熱處理理論及實驗 都說明冷加工能提 高屈服強度2 0 一3 0 嘲 而且 由于近年來數控技術的成熟 使得數控冷彎 管方法以其準確 穩(wěn)定 易于控制的特點在各種中頻感應加熱彎管機等新型產 品中脫穎而出 而得到廣泛的應用 3 l 正因為冷彎管有如此多的優(yōu)點 冷彎管的工藝參數制定成為當前的行業(yè)熱 點 由于彎管工藝過程非常復雜 單純采用理論解析方法難以準確可靠地解決 生產實際問題 運用簡化力學模型得到經驗公式又往往與實際結果有較大的出 入 采用實驗手段又會造成時間和人力物力上的很大消耗t 4 1 計算機技術的發(fā) 展和有限元軟件算法的完善使得運用大型通用有限元軟件進行復雜的工藝分析 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 成為可能 卯 本文就是運用大型通用有限元軟件m s c m a r c 對某鍋爐廠有限 責任公司的主要生產方法一冷彎管加工進行計算機數值模擬 建立一套完整的 彎管模擬系統(tǒng) 能夠準確預測冷彎管制造中包括橢圓度 減薄率 回彈量在內 的彎管質量參數和設備驅動力 6 l 并進行實驗驗證 最后對大型彎管模具進行 了改進并設計出一套方便簡捷的組合可調節(jié)模具 1 2 彎管技術簡介 彎管技術廣泛應用于鍋爐及壓力容器 空調制造 汽車 航空航天等多種 行業(yè) 彎管質量的好壞 將直接影響車架以及整車的結構合理性 安全性 可靠 性等 為了彎制出高質量的管件 就應該掌握管件彎曲加工技術 在數控彎管機 上彎管 合理選擇彎曲方式以及掌握數據處理和程序編制方法非常必要r 刀 管材彎曲按不同類別分可以分為許多類型 彎管技術在制造業(yè)高度發(fā)達的 今天已經相當成熟 常用彎管方法從管材受力形式上分為 壓彎 滾彎 繞 彎 擠彎四種 其中繞彎使用最廣 繞彎又可分為拉拔式 碾壓式和推壓式 從管材是否加熱可分為 冷彎和熱彎 從管材內是否加芯子又可分為 有芯彎 管和無芯彎管 8 l 本文研究的類型是拉拔式無芯冷彎彎管 其彎曲過程如圖1 1 所示 模具 圖1 1 彎管過程示意圖 f i g 1 1 d i a g r a mo f t u b e b e n d i n gp r o c e s s 模具通過十字鍵固定在機床設備上 由電機帶動十字鍵旋轉 從而帶動模 具旋轉 固定夾塊用螺釘安裝在模具上 形成夾緊管子的直段 管子放入固定 夾塊型腔中 活動夾塊借助油缸的壓力或偏心軸的鎖緊力夾緊管子 滑槽的型 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 腔限制管子尾部轉動 使之不能隨模具轉動 然后固定夾塊 活動夾塊 扇形 盤一同旋轉 在模具的綜合作用下實現管子冷彎成形 其部件結構如1 2 所 不 1 3 國內外發(fā)展現狀 圖1 2 管材彎曲部件結構圖 f i g 1 2s t r u c t u r eo fb e n d i n gp a r t 1 3 1 有限元在塑性成型中的應用 彎管技術過程本身屬于金屬塑性成形的范疇 金屬塑性成形技術是現代化 制造業(yè)中金屬加工的重要方法之一 它是金屬材料在模具和鍛壓設備作用下發(fā) 生變形 獲得所需要求的形狀 尺寸和性能的制件的加工過程 金屬成形件在 汽車 飛機儀表 機械設備等產品的零部件中占有相當大的比例 由于其具有 生產效率高 生產費用低的特點 適合于大批量生產 在2 1 世紀 材料塑性成形技術一方面正在從制造工件的毛坯向直接制造 工件 即精確成形或稱凈成形方向發(fā)展 另一方面 為控制或確保工件品質 材料塑性成形技術已經從經驗走向有理論指導 成形過程的計算機模擬仿真技 術已經進入實用化階段 9 l 也是現代高速發(fā)展的制造業(yè)的重要成形工藝 據統(tǒng) 計 在發(fā)達國家中 金屬塑性成形件的產值在國民經濟中的比重居行業(yè)之首 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 在我國也占有相當大的比例 塒 隨著現代制造業(yè)的高速發(fā)展 對塑性成形工藝分析和模具設計方面提出了 更高的要求 許多以前可以使用的管件彎曲成品在當今的工廠中已經不能接 受 甚至成為不合格產品 若工藝分析不完善 模具設計不合理或材料選擇不 當 則會造成產品達不到質量要求 造成大量的次品和廢品 增加了模具的設 計制造時間和費用 為了防止缺陷的產生 以提高產品質量 降低產品成本 國內外許多大公司企業(yè)及大專院校和研究機構對塑性成形件的性能 成形過程 中的應力應變分布及變化規(guī)律進行了大量的理論分析 實驗研究與數值計算 力圖發(fā)現各種制件 產品成形工藝所遵循的共同規(guī)律以及力學失效所反映的共 同特征 由于塑性成形工藝影響因素甚多 有些因素如摩擦與潤滑 變形過程 中材料的本構關系等機理尚未被人們完全認識和掌握 因而到目前為止還未能 對各種材料各種形狀的制件成形過程作出準確的定量判定 正因為大變形機理 非常復雜 使得塑性成形研究領域一直成為一個充滿挑戰(zhàn)和機遇的領塒1 1 總體的說 對一種領域或產品的研究與開發(fā)的目標之一就是確定生產高質 量產品的優(yōu)化準則 而不同的產品要求不同的優(yōu)化準則 建立適當的優(yōu)化準則 需要對產品制造過程的全面了解 在傳統(tǒng)工藝分析和模具設計中 主要還是依 靠工程類比和設計經驗 經過反復試模修模 調整工藝參數以期望消除成形過 程中的產品缺陷如失穩(wěn)起皺 充填不滿 局部破裂等 僅僅依靠類比和傳統(tǒng)的 經驗工藝分析和模具設計方法已無法滿足高速發(fā)展的現代金屬加工工業(yè)的要 求 因此 現代金屬成形工藝分析過程中 建立適當的 過程模擬 非常重要 隨著計算機技術的發(fā)展 人們已經認識到數值模擬在金屬成形工程中的重要價 值 這一領域已成為現代國內外學者的研究熱點f l 甜 盡管塑性加工中的有限元理論及技術都有很大的發(fā)展 國內外的學者在一 些方面已取得豐碩的成果 但由于塑性成形自身的特點 使得有限元在這個領 域中的應用還存在許多具體的難題 如 如何建立一個能真實反映材料在成形 過程中變形規(guī)律的本構關系 摩擦接觸問題的處理 如何在分析過程中自動生 成高質量的三維有限元網格及網格重劃問題 宏觀模擬和微觀組織預測等 這 些問題都急待解決 都是值得進一步開發(fā)研究的重要課題 1 3 2 彎管成形的研究現狀 自上世紀七十年代以來 日本等國家為開發(fā)彎管技術進行了大量的實驗研 究 取得了很大進展 經過幾十年的發(fā)展 國外已經生產出了各種規(guī)格型號的 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 彎管設備 可以制造相對彎曲半徑為1 0 一1 5 彎曲角度在0 1 8 0 范圍內 的任意角度的彎管 胡福泰針對局部加熱無模彎管過程建立了簡化的有限元模型 開發(fā)了相應 的可預報管材彎曲后斷面畸變的三維剛塑性有限元程序 但該程序只適用于局 部加熱無模彎管的穩(wěn)態(tài)變形階段 1 3 1 w e l ot 和p a u l s e nf 等采用有限元軟件m s c m a r c 5 2 對擠壓鋁合金單 雙室矩形管繞彎和拉彎過程進行了三維彈塑性數值模擬 1 4 1 3 1 研究了材料 工 藝及模具參數對成形過程的影響 其中彎曲模的轉動是通過嵌入作者自編的程 序實現的 結果表明 采用內部芯棒能有效地防止起皺的波紋高度和外側翼板 的塌陷 翼板的等效寬厚比是影響截面局部變形程度的重要因素 采用預拉工 藝能減少起皺和回彈 減小應變硬化指數和增大軸向力有助于回彈的減小 模 擬過程中 管坯采用的是計算效率較低的八節(jié)點六面體單元 并且為提高該單 元的彎曲性能 還采用了假設應變公式 這又進一步降低了計算的效率 而在近幾年 彎管的熱點問題已經轉為彎曲成形后的回彈問題 回彈問題 相當復雜 目前關于薄壁件塑性加工中回彈問題的研究已成為材料加工領域中 的一個熱點 國內外已有許多學者對其進行了研究 并獲得了大量的研究成 果 k i n a s t e l s o n 等人對管繞彎成形中的回彈角的預測與控制作了比較全面的 闡述f 1 6 l 文中提到 在彎曲角大于1 0 度時 彎管回彈角與彎曲角呈線性關系 小于1 0 度時呈非線性關系 在此基礎上 提出實現回彈角預測的三步方案 1 對特定規(guī)格管材 分別作一次小角度彎曲和一次大角度彎曲 通過兩次彎曲的 回彈數據建立兩段直線回彈模型 見圖1 3 1 7 1 2 在彎管件的實際生產過程 中 實時測量更多的回彈角數據 3 修改 完善歷史回彈模型以便更精確地對 回彈進行預測 文中還指出 管彎曲中存在復加載效應 即第一次彎曲到某一 角度卸載后 再次加載時 須過彎一定角度 過彎角度至少為7 度 才能達到 首次彎曲時的彎管應力狀態(tài) 由于復加載效應的存在 所以基于實測回彈角數 據的回彈補償可能不完全 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 e 圖l 3 回彈模型圖 f i g 1 3s p r i n g b a c km o d e lg r a p h 日本學者田中伸司等采用二維剛塑性f e m 分析管材繞彎過程 他們將內 部有液壓負荷的圓管和方管 采用環(huán)狀模進行模擬 即將圓管和方管繞彎過程 簡化為二維準軸對稱問題進行近似三維分析 通過有限元模擬獲得斷面形狀的 變化 研究了液壓力對方管和圓管斷面形狀的影響 1 s 1 9 1 目前針對管材彎曲成形從理論 實驗方面著手研究的較多 基于數值模擬 研究的較少 針對加熱彎曲成形研究的多 而對冷彎成形研究的少 針對矩形 管彎曲研究的多 針對圓管彎曲研究的少 因此 采用有限元法模擬管材彎曲 成形過程 并與優(yōu)化設計相結合構筑基于理論 經驗和數值模擬的專用系統(tǒng)是 管材彎曲研究發(fā)展的趨勢f 2 0 1 4 課題來源與研究意義 目的和內容 1 4 1 課題來源 本課題來自黑龍江省科技攻關項目一電站鍋爐彎管三維c a d c a p p c a e 系統(tǒng)集成及模具改進研究 c c 0 5 a 5 2 4 1 4 2 主要研究意義 該項目雖然是針對電站鍋爐彎管的成形質量進行分析 但留有擴展口 稍 加改動可適用于解決石油化工 汽車工業(yè) 航空航天工業(yè) 船舶制造業(yè)等多種 行業(yè)中的彎管工藝問題 因此有廣闊的市場前景 而管件彎制在各個領域的廣泛應用也決定了對彎管成形質量的分析具有重 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 要的研究意義 1 4 3 主要研究目的 管材的彎曲和板料的彎曲一樣 在純彎曲的情況下 外徑為d 壁厚為t 的管子受外力矩m 作用發(fā)生彎曲時 中性層外側管壁受拉應力仃l 作用 管壁變 薄 中性層內側管壁受拉應力0 2 作用 管壁變厚 見圖1 5 a l 2 1 1 而且 橫截面 的形狀由于受合力點和五的作用由圓形變?yōu)榻茩E圓形 見圖1 5 b 當變形量 過大時 外側管壁會產生裂紋 內側管壁會出現起皺 見圖l 一6 dd 圖1 5 管子彎曲時的受力與變形 f 遮 1 5f o r c ea n dm e t a m o r p h o s ew h e nb e n d i n g t h et u b e 一1 一 d 開裂 一一 l b 起皺 圖1 石管子彎曲時的缺陷 f i g 1 6l i m i t a t i o nw h e nb e n g d i n gt h et u b e 研究任何領域都應該先從該技術領域存在的缺陷進行分析 彎管技術也一 樣 衡量彎管技術好壞的依據就是其產品質量的高低 彎管質量 彎管質量 就是管材彎曲成型后與預期彎管的質量 而彎管的質量是衡量彎管模具性能的 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 關鍵 換句話說要想提高彎管質量就必須從模具的性能著手進行分析 通常情 況下 管子彎曲后都會產生不理想的變形1 2 2 1 如圖1 7 所示 m o 七 ml 蒼 g 圖1 7 彎管形狀圖 f i g i 7s h a p eo f t h eb e n d i n gt u b e m m 側稱為管子外側 在管子彎曲時受拉力而減薄 n n 側稱為管子內 側 在管子彎曲時受壓力而增厚 r 為管子彎曲半徑設計尺寸 咖為管子名義 外徑 從截面圖上可以看到 管子截面由圓形變?yōu)闄E圓形 橢圓截面的壁厚 也不均勻 a 為橢圓截面長軸 b 為橢圓截面短軸 s 為管子名義壁厚 s m i n 為截面最小壁厚 s m a x 為截面最大壁厚 橢圓度a a b 口 外壁減薄率 h s s m i n s 內壁增厚率c s m a x s s 卸載后由管壁內側和外側纖維彈性 恢復而引起的彎曲角度變化稱為回彈角團l 彎管質量主要包括橢圓度 外壁減薄率 內壁增厚率 回彈角等幾個方 面 這些方面又與相對彎曲半徑 相對壁厚 材質 彎管方法關系密切 隨著 鍋爐單機容量的增大 鍋爐中所需彎管的強度相應提高 管子尺寸規(guī)格也逐步 加大 這就產生了新問題 彎管的質量能否達到這種更高的要求 原有設備驅 動能力對大規(guī)格管子是否足夠 只有實現了彎管質量的準確預測和彎管過程力 的精確計算 才能合理地安排工藝 設備 才能保證彎管質量和設備正常使 用 為安全生產 優(yōu)質生產打下基礎 通過制造信息化提高企業(yè)經濟效益 本文研究目的就是通過對彎管成形質量的分析 和對一些彎管參數的提前 預測 對彎曲后管材質量進行提前評估 以盡量避免不必要的浪費 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 1 4 4 主要研究內容 針對企業(yè)生產中預測彎管質量和驅動力的需求 本文利用計算機的數值計 算優(yōu)勢 結合理論分析對彎管過程進行模擬 主要從以下幾個方面開展工作 1 建立冷彎管力學理論模型 彎管制造過程是一個非線性 大塑性變形 的過程 難以用一般的經典理論公式解析求解 并且不能簡化成通常的平面應 變 平面應力和軸對稱問題 因此 建立三維模型來描述 2 建立管件彎曲的數值分析系統(tǒng) 研究冷彎管三維有限元模擬關鍵技 術 隨著模型的復雜 數據量的增大 手動建模在速度及精確性上均不能滿足 要求 使用有限元分析軟件m s c m a r c 來模擬拉拔管成形過程 3 通過m s c m a r c 后處理系統(tǒng)分別對大型彎管和小型彎管成形質量的主 要因素進行分析并通過試驗驗證該模擬系統(tǒng)的可行性 4 針對分析結果對大型彎管機的滑槽進行可行性改進及小型彎管模的組 合式設計 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 2 1 前言 第2 章彎管有限元建模 冷彎管工藝過程涉及到塑性大變形 大位移 接觸非線性等問題 變形非 常復雜 難以用一般的經典理論公式解析求解 并且不能簡化成通常的平面應 變 平面應力和軸對稱問題 因此 需要采用三維模型來描述 借助于有限元 分析方法和有限元軟件 利用其中大位移和接觸分析方法解決上述求驅動力和 預測彎管質量的問題 2 1 1c a e 技術 c a e c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g 即計算機輔助工程 其重要的內容 就是利用計算機 對復雜工程和產品的結構強度 剛度 屈曲穩(wěn)定性動力響 應 三維多體接觸 彈塑性等力學性能進行輔助分析計算 以及對結構性能進 行優(yōu)化設計 其基本方法是將一個形狀復雜的連續(xù)體分解為有限個形狀簡單的 子區(qū)域 即將一個連續(xù)體簡化為有限個單元組成的等效組合體 把求解連續(xù)體 的場變量 應力 位移 壓力和溫度等 問題簡化為求解有限個單元節(jié)點上的 場變量值問題 此時求解的基本方程將是一個代數方程組 而不是原來描述真 實連續(xù)體變量的微分方程組 得到近似的數值解 求解的近似程度取決于所采 用的單元類型 單元的密度以及單元的插值函數 經歷了3 0 多年的發(fā)展歷史 c a e 技術的理論和算法都日趨成熟 現已成 為航空航天 機械 土木結構等工程領域必不可缺少的數值計算工具 先期出 現的c a d 技術著重解決的是產品的設計質量問題 c a m 著重解決的是產品的 加工質量問題 而c a e 著重解決的是產品的性能質量問題 隨著計算機技術 的普及和不斷提高 c a e 系統(tǒng)的功能和計算精度都有了很大提高 各種基于產 品數字建模的c a e 系統(tǒng)應運而生 并已成為結構分析和結構優(yōu)化的重要工 具 最優(yōu)化技術引入c a e 使人們從繁重的湊試工作中解脫出來 極大的提高 了企業(yè)的設計效率 減輕了技術人員的勞動強度 縮短了設計周期 受到廣泛 的歡迎 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 2 1 2m s c m a r c 軟件簡介 m s c m a r c 是功能齊全的高級非線性有限元軟件 具有極強的結構分析 能力 在我國的航空 航天 核工業(yè) 鐵路運輸業(yè) 機械制造 汽車 電子 土木工程 生物醫(yī)學 水利等領域得到廣泛的應用 為各領域中產品設計 科 學研究做出了很大貢獻 該軟件的功能在不斷地改進 應用領域也在不斷地擴 展 但是由于實際問題的多樣性 以及不同用戶要求的特殊性 利用軟件缺省 的標準輸入 輸出有時并非是最佳選擇 另外 也存在標準程序尚不具備特定 用戶需要某一方面功能的情況 對于前一種情況 可通過m s c m a r c 提供的 大量用戶子程序接口 將用戶需要的輸入 輸出以最簡便的方式定義 而無需 受缺省輸入 輸出的限制 對于后者 在功能強大的通用軟件框架下可以耦合 用戶所需功能 使通用軟件向特定領域的專用軟件擴展 m s c m a r c 有兩種二次開發(fā)方式 用戶子程序和m s c m a r c 自帶的腳 本語言p y t h o n 編程 m s c m a r c 提供了許多對用戶開放的子程序 即用戶子 程序 用戶可以根據自身需要通過f o r t r a n 語言編制用戶子程序 實現對輸 入數據的修改 材料本構關系的定義 載荷條件 邊界條件 約束條件的變 更 甚至擴展m s c m a r c 的功能 m s c m a r c 自帶的腳本語言p y t h o n 在前 處理中能實現幾何模型 有限元網格劃分 約束邊界條件 載荷及材料性能等 的參數化等 在后處理中能實現從結果數據中提取用戶所關心的信息 m s c m a r c 軟件從2 0 世紀7 0 年代初誕生至今的3 0 年中 一直緊跟有限 元方法的理論和計算機硬 軟件發(fā)展的最新進展 已發(fā)展成為功能強大 界面 友好的有限元軟件系統(tǒng) 它擁有豐富和完善的單元庫 材料模型庫和求解器 保證了它能夠高效的求解各類結構的靜力和動力中的線形 高度非線形問題 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析及熱 結構耦合問題 m a r c 被m s c 收購后 保留了它的主要產品 m s c m a r c 是高級非線 形有限元分析模塊 m s c m e n t a t 是m s c a r c 的前后處理圖形對話界面 兩 者嚴密整合的的m s c a r c 和m s c m e n t a t 成為解決復雜工程問題 完成學術 研究的高級通用有限元軟件 本文以m s c m a r c 軟件為平臺 借助其自帶的 腳本語言p y t h o n 通過對鍋爐彎管過程進行實例分析 仿真管件彎曲過程中各 參數變化以指導管件彎曲過程中相關工藝參數的制定 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 2 1 3 有限元單元法的基本步驟 彎管分析的有限元法步驟包括以下6 步 2 4 1 1 定義形函數n x 進而通過單元節(jié)點變量a 描述單元域內連續(xù)的變量 u x x n x a c r 2 1 2 定義單元材料的響應如應力 應變和熱流等 占 啦例 b a 2 2 盯 嘶 洲 2 3 3 形成單元矩陣建立單元與外界環(huán)境的平衡關系 k a f 0 2 4 其中k 為單元剛度矩陣 尸為單元節(jié)點上的等效外力 a 為單元節(jié)位 移 剛度矩陣按下式計算 1 k ibd b d v 2 5 j 球 節(jié)點等效外力為 j x 2 b d v j 分t d s f 2 6 娃 單元剛度矩陣代表了結構單元的剛性或傳熱單元的傳導性 節(jié)點外載荷代 表了單元內體力 或內熱源 面力 或熱流 節(jié)點集中力的貢獻 4 集成將覆蓋結構全域的所有單元的剛度矩陣和節(jié)點外力對平衡的貢獻 集成 建立整體結構的平衡方程 k y k t 2 7 廠 廠 2 8 k a f 0 2 9 5 求解平衡方程指定一些節(jié)點位移后 可將平衡方程按已知節(jié)點位移和 未知的場變量分解為兩部分 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 乏就h 糾 吼 一 0 f o k 0 q 2 1 0 2 1 1 z 一 如q k q 2 1 2 其中吼為未知節(jié)點變量 q 為已知節(jié)點變量 z 為外加的節(jié)點力 z 為 節(jié)點反作用力 因此 求解變成獲得已知位移的節(jié)點反作用力和已知的載荷節(jié) 點位移 6 回代根據計算出的節(jié)點變量 代入第2 步的表達式中 獲得單元應 變 應力或熱流情況 2 2 彎管有限元力學模型建立 2 2 1 冷彎管基本力學模型的建立 管材的彎曲過程可以用如圖2 1 所示的力學模型來描述 2 5 1 圖2 1 管材彎曲的力學模型 f i g 2 1 m e c h a n i c sm o d e lo f t h et u b e b e n d i n g 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 管材的引導端被彎管模和夾塊約束 同時有一個力矩m 作用于管材尾 部 使得管材逐漸彎向彎管模直至接觸 在管材的自由變形部分 彎曲力矩m 和集中力緲 z 作用在一端 力矩m 和集中力 胞 作用在另一端 分布 力g 作用在管材的內側面1 2 6 2 2 2 坐標系和基本假設 上面已經說過 管材彎曲過程是一個相當復雜的過程 所以在進行分析之 前需要進行一些令模型簡化的假設 這些假設的界定是為了得到更清晰的分 析 假定管材已經彎制了1 8 0 0 取9 0 0 處建立坐標系如圖2 2 所示 管材的橫 截面是建立在以地 y o 為坐標軸的右手笛卡兒坐標系上 其中j 是沿著未變 形管材中面所測的環(huán)向弧長 而中面是位于變形前壁厚中點的柱面 軸的原 點位于未變形中面上 方向垂直于中面 橫截面也可以用原點在0 點的極坐標 以d 來描述 管中性軸通過刪 如 坐標系的原點0 彎曲模的軸通過點0 并 垂直于x z 平面 未變形管材橫截面的中心點0 和變形后中面上點的距離用 代表 矽是指由于截面變化而引起的通過0 點的切線和x 軸之間的角度增量 當沒有發(fā)生截面變形時這個角度為零 角度 是從彎曲區(qū)域的中心所測的彎曲 角度 為了簡化分析 做出如下假設 2 7 2 8 1 垂直于管材軸線的平面在變形后仍保持平面 2 管材的材料是不可壓縮的 分析中忽略了彈性應變 等效應力和等 效應變之間的關系符合剛塑性線性應變強化材料模型 3 變形關于x z 平面對稱 4 加載過程采用簡單加載理論 5 忽略工具和管材之間的摩擦力 基于以上假設 當采用最小勢能原理分析時彎管力學模型可以進一步得以 簡化 2 9 1 因為模具是被作為剛性體 在沿著分布接觸力g 作用的方向上沒有位 移 因此g 所作的功為零 軸向力 所作外功矽為零 因此垂直于管材軸向 的平面 如x y 平面 位移為零 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 彎管模的中心線 l 廠 變憑 內弧面 f 弋n l f 川繃 li l 心訟 歹弋 o l l j 2 圖2 2 彎管力學模型的坐標系圖 f i g 2 2r e f e r e n c ef r a m e o f t h et u b e b e n d i n ga n a l y s i s 2 3 彎件彎制過程模擬建模 2 3 1 前處理建模 采用有限元分析軟件m s c m a r c 模擬拉拔管成形過程的優(yōu)點是 1 不需建 造物理模型 成本低 2 具有較強的非線性分析能力 3 能對變形過程中的物理 特性真實包容 鍆有較大的靈活性 能用于模擬實現無法提供的虛擬條件下的 模型性態(tài) 從而為探索性的研究提供了手段 3 0 l 但是 隨著模型的復雜 數據 量的增大 手動建模在速度及精確性上均不能滿足要求 針對目前有限元分析 軟件手動建模存在的問題 本文提出p r o e 與m s c m a r c 聯合參數化建 模 整合兩大軟件的長處 將有限元分析前處理的部分數據如幾何模型 有限 元網格劃分等參數化 使用戶通過確定參數值實現自動建模 從而減少重復性 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 工作 較大幅度提高效率 以大型彎管機為研究模型 選取模擬管件的參數為直徑d 1 6 8 m m 壁厚 3 0 m m 彎曲半徑r 4 0 0 m m 材料選用2 0 g 與其它m s c 軟件一樣 m s c m a r c 有限元軟件具有強大完善的接口功 能 它自帶的m e n t a t 建模功能并不強大 但m s c m a r c 軟件具備和許多著 名c a d 和c a e 軟件交換幾何造型和有限元模型的數據文件接口 包括 a u t o c a d p r o e u g 等多種接口功能 本系統(tǒng)采用p r o e 幾何建模導入和 m s c m a r c 自帶建模結合的方法 如圖2 3 所示 圖2 3 彎管的前處理建模 f i g 2 3p r o d i s p o s a lm o d e l i n g0 f t l l em b e b e n d m 將i g e s 格式模具導入m s c m 6 眥并進行對稱修補及網格劃分 其命令 流如下 m a i n 也s hg e l 屺r a t i o n f i l e s n 伊o r t i g e s d i e i g s r e l i 瓜n t w i c o s 阮e p p o i n t s a l l e x i s z 1 6 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 r e i u r n a u t o m 匣s h c u r v ed i s i o n s f i x e da v gl e n g l h 向彬 a v g l e n g t h6 r e s l l u c t i o nf o i 屺ee v e nd i v a p p l yr e s l r i u c t i o nt od e t e c t e dl o o p s a p p l yc u r v ed i s i o n s a l l e x i s t r e t u r n 因為m s c m a r c 軟件中只能對曲面和點線進行網格劃分 所以經過i g e s 格式導入的實體要先經過以上步驟轉化為曲面 由于所計算的面過多導致計算 量大 因此本文對導入模型進行進一步簡化 用m a t e n t 自帶的s u b t r a c t 和u 礬t 功能對導入實體進行修改 在不影響分析結果的同時減少數據的計算 量 2 3 2 有限元網格的生成 m e s hg e n e r a t i o n 劃分網格是建立有限元模型的一個重要環(huán)節(jié) 劃分網格的數量和質量直接 影響計算精度 計算規(guī)模和分析效率 網格劃分越細越多則分析精度越高 但 是計算規(guī)模和所需要的計算時間也會增加 所以在劃分網格時應該綜合考慮這 兩個因素 1 管材鋼管的幾何形狀較為規(guī)則 為了簡化程序 在m s c m a r c 軟件 的前處理中直接可生成單元元素所代表的管材 生成時 先生成二維單元 然 后用e x p a n d 命令擴展為三維實體單元 由于鋼管的拉拔彎曲的過程中要形成 復雜物理學及化學變化 金屬流動情況比較復雜 變形量很大 數據變化梯度 大 為了適應計算數據的分布特點 因而需要將靠近內表面的單元劃分細一 些 靠近外表面的管材部分在拉拔過程中變形量較小 計算數據變化梯度小 可以將單元劃分的粗一些 所以在劃分管料的平面單元時 在徑向將偏斜系數 b i a s f a c t o r s 設置為 0 3 使得管料平面劃分單元時 靠近管料內壁的單元 細而從內徑沿著半徑方向向外單元逐漸變稀疏 由于在成形過程中管料內壁要 形成變形褶皺 所以管料內壁的單元尺寸必需小于外表面 最終管料劃分單元 的情況如圖2 4 所示 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 圖2 4 管子的網格劃分 f i g 2 4g r i d d i n gp l o to ft h et u b e 2 模具模具采用的是i g e s 實體導入 為了簡化模型 在m s c m a r c 中對導入模型進行了修改 減去多余的表面 體的網格劃分是先對待劃分實體 進行表面網格劃分 然后進行在進行網格劃分之前 必須進行幾何清理和修 復 清理掉多余的自由邊 消除所有的二維開環(huán) 檢查所有的曲線和曲面 這 里需要特別注意的是 劃分面網格成功以后 劃分體網格之前必須保證沒有多 余的節(jié)點和幾何點 清理掉多余的自由邊 所有單元的外法線方向一致 所有 單元的外輪廓線總長之和為零等 由于分析表面過多如果用六面體網格劃分會 存在很大誤差 不能很好的逼近原幾何實體 因此對芯棒劃分選取四面體單 元 劃分網格之后必須清除掉多余的有限元元素和重合的幾何實體 檢查單元 的節(jié)點編號 單元形狀是否奇異 檢查三維單元j a c o b i a n 是否為負 并加以糾 正 最終劃分的模具單元結果如圖2 5 所示 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 圖2 5 模具的網格劃分 f i g 2 5g r i d d i n gp l o to ft h em o u l d 對與管件接觸部分進行細劃分 命令流如下 m a i n m e s hg e n e r a t i o n a u t o m f e s h s u r f a c em 匣s h i n g t r i a n g l e s d e l a u n a y s u r f a c et 剛m e s h a l l e x i s t 和rn l ts u r f a c e s p l o t d r a w n o