HFW焊管排輥成型預成型段ANSYS有限元分析

皮大光, 李立新, 張 靜, 蘇雨萌，袁 翔

(武漢科技大學材料與冶金學院，湖北 武漢，430081)

HFW焊管具有生產效率高、制造成本低、尺寸精度高、外型美觀及應用廣泛等優點，近年來在國內焊管行業得到了迅速發展[1]。HFW焊管排輥成型技術是通過在水平成型輥之間配置的多個連續小輥(排輥)，使得板帶邊緣能夠沿著一條平滑自然的變形路徑成型，從而減小邊緣的回彈變形[2-3]。HFW焊管排輥成型的優點是擴大了成品范圍、減少了板帶邊緣伸長量，缺點是對于大、中口徑HFW焊管容易產生邊浪和鼓包現象，成材率較低，因此對于大、中口徑的HFW焊管排輥成型技術生產過程的仿真研究極為重要。

1 材料模型的建立

采用X60管線鋼作為模擬板材。對X60管線鋼試樣進行拉伸實驗，根據所得應力-應變曲線回歸擬合材料的雙線性硬化模型，視實驗數據與雙線性模型對應數據點的流動應力差平方和最小時獲得的模型為最佳模型[8]。X60管線鋼雙線性硬化模型回歸擬合曲線如圖1所示。通過多個試樣的雙線性硬化模型回歸曲線求取均值，得到X60管線鋼的屈服強度為464 MPa，切線模量為509MPa,試樣密度ρ=7.8×103kg/m3，泊松比υ=0.3。

圖1 X60管線鋼雙線性硬化模型回歸擬合曲線

Fig.1RegressionfittingcurveofbilinearhardeningmodelforX60piplelinesteel

2 排輥成型有限元模型的建立

圖2 508 mm管預成型段輥花圖Fig.2 Forming roller diagram of 508 mm pipe in the pre-forming section

圖3 HFW焊管排輥成型過程預成型段有限元模型Fig.3 Finite element model for cage roll forming process of HFW pipes in the pre-forming section

板帶材料模型選用雙線性隨動強化模型(BKIN)，取具有對稱性質的板帶寬度和軋輥長度的1/2進行模擬分析。定義軋輥為剛性接觸體，單元采用SHELL163。為減少有限元單元數、縮短CPU計算時間，用軋輥外圓面來代替整個軋輥。定義板帶與軋輥間的接觸為自動面面接觸(ASTS)。應用罰函數法進行接觸控制，程序中的罰函數系數設置為0.6，計算時，一旦發生接觸穿透現象，就會施加一個很大的罰函數值使其返回到接觸面進行準確計算。板帶與軋輥間的摩擦模型用庫侖摩擦模型[6]，分別取動、靜摩擦系數為0.1和0.2。施加載荷時，板帶設置為左右對稱約束，對于軋輥，除軸向旋轉不加約束外，其他5個自由度均加約束。選取板帶前進速度為6000 mm/s。軋輥角速度為軋輥線速度與軋輥工作半徑的比值。

3 仿真分析結果與討論

3.1 排輥成型應力分析

板帶進入、穿過彎邊輥時等效應力云圖如圖4所示。從圖4(a)中可以看出，板帶被彎邊輥咬入時，在彎曲變形區域產生了488.1 MPa的等效應力，其值大于板帶屈服強度(464 MPa)，表明板帶已產生了塑性變形；從圖4(b)中可看出，板帶穿過彎邊輥時，在彎曲變形區域產生的等效應力為475.8 MPa。上述結果表明，板帶在咬入階段產生的等效應力較穩定階段大。這與文獻[9]描述的現象相吻合，即板帶克服屈服強度極限后進入穩定變形階段。

(a)板帶進入彎邊輥

(b)板帶穿過彎邊輥圖4 板帶進入、穿過彎邊輥時等效應力云圖Fig.4 Equivalent stress nephogram when strip entering and through the edge-bending roll

3.2 排輥成型應變分析

預成型段沿板帶不同橫截面的PEEQ[10](等效塑性應變)分布如圖5所示，圖5中橫坐標表示不同橫截面形狀投影后的相對距離，板帶中心取值為0，板帶邊部為1。由圖5中可看出，板帶進入彎邊輥時，邊緣受到彎邊上輥與下輥的共同擠壓發生了較大的彎曲變形，其PEEQ急劇增大至0.051，之后在各排輥共同作用下PEEQ緩慢增大；預成型段彎邊輥對板帶邊部PEEQ貢獻最大，最大塑性變形發生在板帶邊緣和中心區域；由于空彎，在板帶邊緣和中心區域之間存在一段基本無塑性變形的區域，這即是文獻[11]描述的“非彎曲區”。

圖5 預成型段沿板帶不同橫截面的PEEQ分布Fig.5 Effective plastic strain along different cross-sectional profiles of the strip in the pre-forming section

3.3 板帶邊部變形分析

圖6 板帶在預成型段的變形幾何形狀Fig.6 Deformed geometry of the strip in the pre-forming section

4 實測驗證

實測板帶經過預成型段彎邊輥(a)、大壓下輥(b)和預成型出口處(c)的開口距離和斷面形狀。取斷面上點的縱坐標時，以板帶通過夾送輥所在平面為零基準面，彎邊處、大壓下處和預成型出口處的下山量分別為-44.0 mm、-320.4 mm和-398.2 mm。預成型段縱向測量位置示意圖如圖7所示。預成型段不同位置開口距離實測值與仿真值如表1所示。從表1可看出，開口距離實測值與仿真值的最大絕對誤差(Δd)和相對誤差(δd)分別僅為11.9mm和1.897%。彎邊輥、大壓下輥和預成型出口處斷面形狀實測值與仿真值如圖8～圖10所示。從圖8～圖10中可看出，實測結果與仿真結果完全吻合。實測驗證表明，利用ANSYS動力顯式有限元軟件進行HFW焊管排輥成型預成型段動態仿真，其精度完全滿足工程應用需要。

圖7 預成型段縱向測量位置示意圖

Fig.7Longitudinalmeasuredpositionsinthepre-formingsection

表1預成型段不同位置開口距離實測值與仿真值

Table1Themeasuredandsimulationvaluesofopeningdistanceatdifferentmeasuredpositionsofthepre-formingsection

d/mmΔd/mmδd/%791.9 785.36.60.833 690.2 680.110.11.463 629.3 617.411.91.897

圖8 彎邊輥出口處斷面形狀實測值與仿真值

Fig.8Measuredandsimulationvaluesofstripprofileattheexitofedge-bendingroll

圖9 大壓下輥出口處斷面形狀實測值與仿真值

Fig.9Measuredandsimulationvaluesofstripprofileattheexitofbreakdownroll

圖10 預成型出口處斷面形狀實測值與仿真值

Fig.10Measuredandsimulationvaluesofstripprofileattheexitofthepre-formingsection

5 結語

彎邊區域板帶在咬入階段產生的等效應力較穩定階段大；預成型段彎邊輥對板帶邊部變形的貢獻最大，最大塑性變形發生在板帶邊緣和中心區域；板帶邊緣無邊浪和鼓包產生。利用ANSYS有限元軟件進行HFW焊管排輥成型預成型段動態仿真精度滿足工程應用需要。

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