波紋管成形過程的數(shù)值模擬

楊東 倪洪啟

摘要：波紋管的成形是管坯在壓縮和彎曲的應(yīng)力下的彈塑性變形，變形過程既有材料非線性還有幾何非線性，變形過程較為復(fù)雜，同時(shí)也會(huì)引起管坯的回彈、破裂等問題。該文通過有限元軟件ANSYS，仿真分析波紋管的成形過程，模擬出波紋管成形過程中應(yīng)力分布情況以及波紋管的成形極限，為指導(dǎo)和優(yōu)化成形工藝提供重要的分析依據(jù)。

關(guān)鍵詞：波紋管；數(shù)值模擬；成形過程；ANSYS

波紋管成形方式有液壓成形、機(jī)械成形和焊接成形等多種方式，本文研究波紋管液壓成形的數(shù)值模擬。波紋管液壓成形是把管坯放入模具內(nèi)，將液體充入管坯空腔中，然后液壓機(jī)壓縮管坯里面的液體，使管坯的部分直徑脹大，最后貼靠模具得到需要的波紋尺寸和形狀[1]。

波紋管的成形過程是一個(gè)大撓度、大變形的塑性變形過程，管坯在拉伸和彎曲的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的塑性流動(dòng)、塑性強(qiáng)化問題[2]。波紋管的成形過程是一個(gè)復(fù)雜的多體接觸的力學(xué)分析問題，要比較精確地解決成形過程中大位移大變形的彈塑性問題，就要考慮材料非線性、幾何非線性和邊界非線性的影響，來解決波紋管成形過程中的應(yīng)力應(yīng)變分析。

1. ANSYS模擬波紋管成形過程

1.1.模具的簡化

由于波紋管的結(jié)構(gòu)和受力都具有軸對(duì)稱性，因此在對(duì)波紋管進(jìn)行受力分析過程中對(duì)成形模具要進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕豢紤]模具在力和約束下的形變，不考慮模具和管坯之間受到的接觸應(yīng)力，把模具簡化為波紋管狀的不銹鋼管套。

1.2.波紋管的參數(shù)和單元選擇

用有限元方法分析管坯受到的力和約束，首先要選擇計(jì)算模型和單元類型，計(jì)算模型采用平面軸對(duì)稱模型、三維實(shí)體模型等，單元可以采用軸對(duì)稱單元和梁單元，也可以采用空間殼單元來分析管坯的應(yīng)力應(yīng)變情況。

3.結(jié)果討論

3.1.波紋管的成形屬于彈塑性變形，分析其強(qiáng)度不宜采用屈服強(qiáng)度為界限，應(yīng)該采用材料的極限強(qiáng)度，波紋管的有效應(yīng)力應(yīng)小于材料的極限強(qiáng)度。

3.2.在曲率半徑較大的兩側(cè)等效應(yīng)力較小，在曲率半徑較小的兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力值超過管坯材料的極限強(qiáng)度時(shí)，波紋管將在該區(qū)域的表面開裂[5]。

3.3.采用ANSYS有限元分析可以模擬出波紋管成形過程中，應(yīng)力應(yīng)變分布情況、壓縮位移以及成形后波紋管的幾何尺寸等。能夠?yàn)樯a(chǎn)加工過程中波紋管實(shí)際成形提供指導(dǎo)，為波紋管模具的設(shè)計(jì)制造提供可靠的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋林紅，黃乃寧，林國棟等.CAE在波紋管成形數(shù)值模擬中的應(yīng)用[J].管道技術(shù)與設(shè)備.2010（04）：35-37.

[2]曹寶璋，陳永忠，俞彬等.金屬波紋管成型方法的分析與比較[J]. 管道技術(shù)與設(shè)備. 2001（02）：11-15.

[3]劉巖，段玫，張道偉.波紋管應(yīng)力分析研究進(jìn)展[J].管道技術(shù)與設(shè)備.2006（04）：31-36.

[4]楊義俊， 王心豐.多層波紋管非線性有限元應(yīng)力分析[J]. 壓力容器， 2003， 20（ 9）： 13-16.

[5]尹飛，高寶奎，張進(jìn)等.油井堵漏可膨脹波紋管的有限元分析[J].石油機(jī)械.2012（05）：66-69.

作者簡介：

楊東（1986—），漢，男，湖北武漢人，碩士研究生，主要從事機(jī)電一體化方向的研究。

倪洪啟（1967—），漢，男，遼寧沈陽人，副教授，博士，主要從事機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)及機(jī)械CAD、CAM、CAE等方向的教學(xué)與科研。