圓管繞彎壁厚變化的數(shù)值模擬研究

1、第35卷第6期Vol 35 No62010年12月Dec.2010圓管繞彎壁厚變化的數(shù)值模擬研究徐小兵,官 強(qiáng)2(1.長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北荊州,434023;2.中國(guó)石化江漢石油管理局第四石油機(jī)械廠,湖北荊州434024)摘要:應(yīng)用有限元軟件ABAQUS對(duì)圓管繞彎成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,研究了相對(duì)彎曲半徑R/D、摩擦條件及彎曲角度對(duì)彎管壁厚變化的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:隨著R/D值的增加,彎曲外側(cè)最大壁厚減薄率和彎曲內(nèi)側(cè)最大壁厚增厚率都呈下降趨勢(shì);隨著摩擦系數(shù)的增大,管彎曲外側(cè)壁厚變薄率、彎曲內(nèi)側(cè)壁厚增厚率都迅速增大;彎曲角度越大,壁厚減薄率和增厚率也越大。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2、基本一致。關(guān)鍵詞:繞彎成形;數(shù)值模擬;壁厚變化DOI:10 3969/j issn 1000 3940 2010 06 32中圖分類(lèi)號(hào):TG386 3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1000 3940(2010)06 0133 03NumericalsimulationofwallthicknesschangeintubebendingXUXiao bing1,GUANQiang2(1.SchoolofMechanicalEngineering,YangtzeUniversity,Jingzhou434023,China;2.SJPetroleumMachineryCompanyofJiangha

3、nPetroleumAdministration,SINOPEC,Jingzhou434024,China)Abstract:UsingsimulationsoftwareABAQUS,thetubebendingprocesswassimulated.Theeffectsofrelativeben dingradiusR/D,frictionconditionandbendingangleonthechangeofwallthicknesswereresearched.Theresultsin dicatethatwiththeincreaseofrelativebendingradius,

4、thethinning rateofwallthicknessintheoutersideoftubeandthethickening rateofwallthicknessintheinnersideoftubetrendtodecrease.Withtheincreaseofthefrictioncoeffi cient,thethinning rateofwallthicknessintheoutersideoftubeandthethickening rateofwallthicknessintheinnersideoftubewillincreaserapidly.Thebendin

5、gangleislarger,thethinning rateandthethickening rateofwallthick nessaregreater.Byexperiments,theresultisbasicallyconsistentbetweennumericalsimulationandexperiment.Keywords:tubebending;numericalsimulation;wallthicknesschange在制冷行業(yè)如冰箱、空調(diào)等冷凍機(jī)械上,會(huì)大量使用各種型號(hào)和規(guī)格的彎管。彎管的質(zhì)量直接影響冰箱、空調(diào)等冷凍機(jī)械的整機(jī)性能。然而管材彎曲是一種多參數(shù)耦合作用下的

6、復(fù)雜成形過(guò)程,若收稿日期:2010 06 01;修訂日期:2010 08 11作者簡(jiǎn)介:徐小兵(1962-),男,博士,教授電子信箱:xiaobingxu163 com1成形參數(shù)選取不當(dāng),管材在用彎管機(jī)彎曲過(guò)程中極易發(fā)生外側(cè)壁減薄、拉裂、內(nèi)側(cè)壁增厚失穩(wěn)起皺等缺陷,影響管件的使用性能。如何準(zhǔn)確、有效地對(duì)管材彎曲過(guò)程中壁厚變化現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)定量的分析,對(duì)于在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中制定合理的工藝參數(shù),高效、快速獲得合格彎管零件具有重要的指導(dǎo)意義。對(duì)于較小規(guī)格、多品種的管材彎曲常采用繞彎成形工藝實(shí)現(xiàn),為此,本文將對(duì)圓管繞彎過(guò)程進(jìn)行有限hollowpipeextrusionprocessJ.MaterialsSc

7、ienceandEn gineeringA,2006,435(5):266 274.10 YangDY,KimKJ.Designofprocessesandproductsthroughsimulationofthree dimensionalextrusionJ.Jour nalofMaterialsProcessingTechnology,2007,191(1 3):2 6.11 謝建新,黃東男,李靜媛,等.一種空心型材分流模擠壓焊合過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù):中國(guó),200910088960 7P.2009 07 15.12 黃東男,李靜媛,張志豪,等.方形管分流模雙孔擠壓過(guò)程中金屬的流動(dòng)行為J.中

8、國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2010,20(3):487 495.26 邸利青,張士宏.分流組合模擠壓過(guò)程數(shù)值模擬及模具優(yōu)化設(shè)計(jì)J.塑性工程學(xué)報(bào),2009,16(2):123 127.7 JungML,ByungMK,ChungGK.EffectsofchambershapesofportholedieonelasticdeformationandextrusionprocessincondensertubeextrusionJ.MaterialsandDe sign,2005,26(4):327 336.8 LiL,ZhangH,ZhouJ.Numericalandexperimentalstudyon

9、theextrusionthroughaportholedietoproduceahollowmag nesiumprofilewithlongitudinalweldseamsJ.MaterialsandDesign,2008,29(6):1190 1198.9 WuXH.,ZhaoGQ,LuanYG,etal.Numericalsimulationanddiestructureoptimizationofanaluminumrectangular134鍛 壓 技 術(shù) 第35卷元數(shù)值模擬3,研究圓管壁厚變化規(guī)律,為合理選擇彎管工藝參數(shù)提供依據(jù)。連接關(guān)系,使其相對(duì)距離保持不變。約束右側(cè)滾輪剛體

10、參考點(diǎn)的全部平動(dòng)自由度,施加左側(cè)滾輪中心參考點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)邊界條件,加載角度0s時(shí)為0rad,5s時(shí)為3 14rad。管坯與兩滾輪之間的摩擦系數(shù) 取0 1。選擇Mises屈服準(zhǔn)則,進(jìn)行模擬計(jì)算。1 圓管繞彎成形工藝如圖1所示,彎管分為左彎和右彎。左彎時(shí),右彎管滾輪固定,其中心作為左彎管滾輪圓弧運(yùn)動(dòng)的圓心;右彎時(shí),左彎管滾輪固定,其中心作為右彎管滾輪圓弧運(yùn)動(dòng)的圓心,彎管的直徑由彎管滾輪直徑?jīng)Q定。2個(gè)滾輪交替旋轉(zhuǎn),可實(shí)現(xiàn)多彎彎曲功能;選擇不同直徑的滾輪,可實(shí)現(xiàn)多規(guī)格加工。3 有限元模擬結(jié)果及其驗(yàn)證3 1 模擬和實(shí)驗(yàn)條件模擬和實(shí)驗(yàn)條件取自某企業(yè)冷凝管(冷凝器、蒸發(fā)器等)在專(zhuān)用彎管機(jī)上的繞彎成形所用材料和工

11、藝條件57。其中,滾輪材料為45鋼;管件材料為33Q195,密度 =7 8 10kg m,彈性模量E=2 1 10MPa,泊松比 =0 3,屈服極限!s=195MPa;管件外徑為8mm,壁厚為0 6mm;彎管滾輪直徑d分別為35,45,50mm;實(shí)驗(yàn)設(shè)備為生產(chǎn)冷凝管產(chǎn)品的專(zhuān)用彎管機(jī)。彎曲成形前,對(duì)管材形狀、尺寸及質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格篩選;彎曲成形后,利用精密萬(wàn)能測(cè)試儀和顯微測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量。有限元模擬的條件與實(shí)際加工實(shí)圖1 彎管結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structurediagramoftubebending驗(yàn)條件完全相同,以便進(jìn)行比較和驗(yàn)證8。3 2 管材彎曲過(guò)程中壁厚的變化及其衡量指標(biāo)管材在外彎矩作用下彎

12、曲時(shí),彎曲外側(cè)管壁由于切向拉應(yīng)力作用而使壁厚減薄,彎曲內(nèi)側(cè)管壁由于切向壓應(yīng)力作用而使壁厚增厚,且位于最外側(cè)和最內(nèi)側(cè)的管壁壁厚變化最大,因此,導(dǎo)致了壁厚不均的現(xiàn)象9。生產(chǎn)中常用壁厚減薄率作為衡量壁厚變化大小的技術(shù)指標(biāo),如:壁厚減薄率=min100%tmax 100%t2 有限元模型的建立及加載求解選用ABAQUS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算,材料模型選用雙線性各向同性硬化模型。管材選擇S4R線性四邊形縮減積分殼單元5,該單元具有沙漏控制和縮減積分功能。單元的彎曲變形較大,為了更好地反映面外彎曲作用,單元厚度方向選擇5個(gè)積分點(diǎn),設(shè)置殼厚度為管材壁厚0 6mm,網(wǎng)格尺度設(shè)置為0 8mm,進(jìn)行網(wǎng)格劃分。滾輪定義為

13、離散剛體,并且僅由其型腔表面的曲面信息來(lái)代替整個(gè)滾輪,選擇線性四邊形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。有限元模型如圖2所示。64有時(shí)也計(jì)算壁厚增厚率10:壁厚增厚率=式中:t為管材原始壁厚(mm);tmin為管材彎曲后最小壁厚(mm);tmax為管材彎曲后最大壁厚(mm)。3 3 相對(duì)彎曲半徑R/D對(duì)壁厚變化的影響為便于研究相對(duì)彎曲半徑R/D對(duì)壁厚變化的影響規(guī)律,在研究中保持其它工藝參數(shù)不變,只改變相對(duì)彎曲半徑R/D的值進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn),工藝參數(shù)為,管坯尺寸:外徑D=8mm,壁厚t0=0 6mm;彎曲角度:180!;邊界條件:管坯與兩滾輪之間的摩擦系數(shù) =0 1;相對(duì)彎曲半徑R/D:彎曲直徑分別取35,

14、40,45,50,53,60mm,即相對(duì)彎曲半徑R/D分別取為2 19,2 5,2 81,圖2 管繞彎的有限元分析模型Fig 2 FEmodeloftubebending建立兩滾輪的運(yùn)動(dòng)關(guān)系,在兩滾輪圓心間建立第6期徐小兵等:圓管繞彎壁厚變化的數(shù)值模擬研究 1353 12,3 31,3 75。由ABAQUS有限元模擬計(jì)算在不同相對(duì)彎曲半徑R/D的條件下管件的最薄壁厚tmin和最厚壁厚tmax,進(jìn)而計(jì)算壁厚減薄率和壁厚增厚率。數(shù)值模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。圖5 摩擦條件對(duì)壁厚變薄率的影響Fig 5 Effectof onthinning rateofwallthickness圖3 相對(duì)

15、彎曲半徑R/D對(duì)壁厚變薄率的影響Fig 3 EffectofR/Donthinning rateofwallthickness圖6 摩擦條件對(duì)壁厚增厚率的影響Fig 6 Effectof onthickening rateofwallthickness可以看出,隨著摩擦系數(shù)的增大,管彎曲外側(cè)壁厚變薄率、彎曲內(nèi)側(cè)壁厚增厚率都迅速增大。這說(shuō)明在管的繞彎過(guò)程中,摩擦能顯著的影響管壁厚變化,減小摩擦可以有效地改善彎曲過(guò)程中的壁厚圖4 相對(duì)彎曲半徑R/D對(duì)壁厚增厚率的影響Fig 4 EffectofR/Donthickening rateofwallthickness變化情況。3 5 彎曲角度對(duì)壁厚變化

16、的影響彎曲角度也是影響彎管質(zhì)量的一個(gè)因素,為了找出彎曲角度對(duì)管材彎曲過(guò)程中壁厚變化的影響規(guī)律,選取管坯尺寸:外徑D=8mm,壁厚t0=0 6mm;彎曲半徑:R=25mm;邊界條件:管坯與兩滾輪之間的摩擦系數(shù) =0 1;彎曲角度:分別取20!,50!,90!,120!,150!,180!為計(jì)算條件進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)。由ABAQUS有限元模擬計(jì)算在不同彎曲角度下管件的最薄壁厚tmin和最厚壁厚tmax,進(jìn)而計(jì)算壁厚減薄率和壁厚增厚率。數(shù)值模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示。可以看出,隨著彎曲角度的增大,壁厚減薄率和增厚率也隨之增大。當(dāng)彎曲角度增大到一定程度后,壁厚減薄率和增厚率變化都不大。從圖3圖

17、8可以看出,模擬值曲線的走勢(shì)與實(shí)測(cè)值的走勢(shì)相一致,這說(shuō)明數(shù)值模擬的結(jié)果可以很好地反映壁厚變化規(guī)律。從圖中還可看出,數(shù)值可以看出:隨著R/D值的增加,彎曲外側(cè)最大壁厚減薄率和彎曲內(nèi)側(cè)最大壁厚增厚率都呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)樵趶澢嵌认嗤那闆r下,相對(duì)彎曲半徑越大,變形程度就越小,因此外側(cè)最大壁厚減薄率和內(nèi)側(cè)最大壁厚增厚率都趨于減小。3 4 摩擦條件對(duì)壁厚變化的影響摩擦是塑性加工中普遍存在的問(wèn)題。為了找出摩擦條件對(duì)管材彎曲過(guò)程中壁厚變化的影響規(guī)律,選取管坯尺寸:外徑D=8mm,壁厚t0=0 6mm;彎曲半徑:R=25mm;彎曲角度:180!;邊界條件:管坯與兩滾輪之間的摩擦系數(shù) 取0 05,0 1,0

18、 2,0 3,0 4為計(jì)算條件進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)。由ABAQUS有限元模擬計(jì)算在不同摩擦系數(shù)條件下管件的最薄壁厚tmin和最厚壁厚tmax,進(jìn)而計(jì)算壁厚減薄率和壁厚增厚率。數(shù)值模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。136鍛 壓 技 術(shù) 第35卷參考文獻(xiàn):1 寧立偉,陳干威,寧臣泉,等.薄壁銅管彎管機(jī)的設(shè)計(jì)與制造工藝J.機(jī)械研究與應(yīng)用,1996,(3):13 15.2 溫彤,豐慧珍,艾百勝.管材繞彎變形的理論與實(shí)驗(yàn)分析J.重慶大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,29(12):8 12.3 詹梅,楊合,江志強(qiáng).管材彎曲成形的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)J.機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2004,23(12):1509 1

19、514.圖7 彎曲角度對(duì)壁厚變薄率的影響Fig 7 Effectofbendingangleonthinning rateofwallthickness4 杜長(zhǎng)城,王俊翔,陳杰富,等.鍋爐彎管纏繞式冷彎成形工藝及其回彈的數(shù)值模擬J.四川大學(xué)學(xué)報(bào):工程科學(xué)版,2008,40(6):75 79.5 胡軍峰,楊建國(guó),方洪淵,等.滾彎過(guò)程的三維動(dòng)態(tài)仿真模擬J.塑性工程學(xué)報(bào),2005,(6):51 54.6 何花卉,鄂大辛,李延民,等.管材彎曲成形中橫截面畸變的試驗(yàn)及有限元分析J.現(xiàn)代制造工程,2006,40 42.7 徐小兵,官?gòu)?qiáng),黃晶,等.一種氣動(dòng)多規(guī)格半自動(dòng)彎管機(jī)的設(shè)計(jì)J.液壓與氣動(dòng),2009,(

20、12):36 38.8 占濤,鄂大辛,高小偉,等.管材彎曲成形的有限元模擬與實(shí)驗(yàn)分析J.鍛壓裝備與制造技術(shù),2006,(1):66 68.9 王同海.管材塑性加工技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,圖8 彎曲角度對(duì)壁厚增厚率的影響Fig 8 Effectofbendingangleonthickening rateofwallthickness1998.10 李名望,彭炎榮,賈崇田.薄壁彎管變形量的理論計(jì)算及彎曲工藝的改進(jìn)J.模具工業(yè),2007,33(4):29 31.(11):模擬值與實(shí)測(cè)值之間存在誤差,但是誤差在合理范圍之內(nèi),說(shuō)明數(shù)值模擬的結(jié)果具有較好的可靠性,能較好的反映實(shí)際情況。會(huì)訊第十一屆合金與復(fù)合材料半固態(tài)成形國(guó)際會(huì)議由中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)塑性工程學(xué)會(huì)半固態(tài)加工學(xué)術(shù)委員會(huì)策劃,北京科技大學(xué)、香港嘉瑞集團(tuán)、西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、特種鑄造及有色合金#雜志社和南昌大學(xué)承辦的第十一屆合金與復(fù)合材料半固態(tài)成形國(guó)際會(huì)議%于2010年9月16日&18日在北京召開(kāi)。中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)塑性工程學(xué)會(huì)半固態(tài)加工學(xué)術(shù)委員會(huì)主