管端加厚機機架有限元數值模擬及優化設計

胡 洪，王建國，杜學斌，徐能惠，邵國棟

（1.金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室，陜西 西安 710032；2.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032）

管端加厚機機架有限元數值模擬及優化設計

胡 洪1，2，王建國1，2，杜學斌1，2，徐能惠1，2，邵國棟1，2

（1.金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室，陜西 西安 710032；2.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032）

管端加厚機機架是結構復雜的焊接件，是主機的一個關鍵部件。建立了機架的數值模型并對其進行有限元計算。根據計算結果改進了機架結構，改善了機架受力狀態，為進一步結構設計積累了經驗。

管端加厚機；機架；有限元數值模擬；優化設計

鋼管管端加厚采用局部加熱水平鍛造成形的工藝方法，是將鋼管管端進行局部加熱采用外力使鋼管端部內外徑發生變化，從而增加端部壁厚、增強鋼管端部強度的過程。管端加厚機是用于管端鐓粗成型的專用設備，從結構上看管端加厚機相當于一臺具有特殊結構的水平鍛造液壓機，由一臺具有整體閉式框架的垂直液壓機和一臺水平液壓機有機組合而成。垂直液壓機用于鋼管的夾緊，水平液壓機用于對管端實施鐓鍛[1][2]。

主機機架是管端加厚機的關鍵部件，采用了整體焊接框架結構。工作過程中機架同時承受夾緊力和加厚力，受力狀態比較復雜，對其受力狀態進行有限元模擬并對結構進行優化，不僅可以保證機架的強度和剛度滿足加厚時的使用要求，而且為加厚機系列化設計提供理論依據。

本文對公稱夾緊力為500t的油管管端加厚主機機架進行建模，運用通用有限元軟件ABAQUS對其在夾緊和鐓粗狀態下的應力應變狀態進行數值模擬，并根據計算結果對機架的結構進行了優化[3][4][5]。通過優化改善了機架的受力狀態，也為進一步結構設計積累了經驗。

1 機架結構

管端加厚機主機機架總體上是用鋼板焊接而成的矩形框架結構，如圖1所示。本框架結構可以分為上、下梁和左、右立柱四個部分，上梁安裝有三個缸筒，主柱塞缸筒位于上梁中間位置，左右兩邊各設計有一個活塞缸缸筒。

圖1 管端加厚機機架

在鐓粗過程中，上下梁受一個柱塞缸和兩個活塞缸共同產生的垂直夾緊力的作用，左右梁受水平缸產生的鐓粗力的作用。

2 機架數值模擬條件分析

由于機架結構較為復雜，計算中首先用三維建模軟件SolidWorks建立機架三維模型，如圖2所示。將模型文件轉化為*.x＿t格式后導入到通用有限元軟件ABAQUS進行計算。

其中，鋼板材料為16Mn，缸筒材料為35鋼。計算中，以系統工作的最高壓力27MPa計算各部分施加于模型的載荷，最大夾緊力為5.99MN，最大鐓粗力為2.6MN。為了模擬結果的準確性，在計算中根據實際受力情況將這兩部分力以壓力的形式施加于模型各部分。

圖2 機架SolidWorks三維模型

主機機架受力狀態分為夾緊和鐓粗兩種狀態，為了使有限元模型的載荷施加更接近實際受力狀態，本文進行如圖3所示的夾緊狀態載荷施加和如圖4所示的鐓粗狀態載荷施加。

圖3 夾緊狀態施加的載荷

圖4 鐓粗狀態施加的載荷

綜合考慮模擬計算時間和計算結果準確性兩個因素，劃分網格時使用四節點四面體單元，網格不大于30mm。

由于機架受載荷時與地基的相互作用比較復雜，為了分析邊界條件對計算結果的影響，計算中對模型采用了兩種邊界，分別如圖5、圖6所示（分別稱為邊界條件M、N），邊界條件M中將機架底板與地基相接觸的部分全部固定約束，邊界條件N只將底板中間部分與地基相接觸部分固定約束。其中邊界條件N是考慮到機架發生變形較大時的極限情況，這時假想底板兩端變形太大向上翹起，與地基不接觸。

圖5 邊界條件（M）

圖6 邊界條件（N）

3 數值模擬結果分析

按上述加載條件和邊界條件對模型進行計算。圖7、圖8分別為機架在夾緊狀態和鐓粗狀態的等效應力云圖（圖中超出80MPa部分用銀色顯示）。

由于鐓粗狀態時機架除了受到豎直方向的夾緊力之外，也有水平方向的鐓粗力使機架的受力區域更趨于均勻，改善了機架的變形。所以，盡管鐓粗狀態的受力情況比夾緊狀態更復雜，但機架卻是在夾緊狀態下應力較大。因此，數值計算和結構優化以夾緊狀態為分析依據。

機架的應力較大處主要分布在如圖9所示的A、B、C點，因此計算結果中主要列出了這些點的夾緊狀態應力值。

表1為機架在夾緊狀態時的應力計算值。從表中可以看出，除了上梁中間的主柱塞缸筒應力較大之外，B、C點的應力也超過了80MPa。

柱塞缸缸筒內表面的計算應力為110MPa左右，但考慮到主柱塞缸筒的內表面應力較大是由于高壓油作用所致，而該鋼筒采用35號鋼鍛造而成，缸體材料的力學性能可以滿足使用要求。另外，可以看出，兩種邊界條件對計算結果的影響并不很大，結果相差2.9%左右，用邊界條件N是較為保守的計算結果。

圖7 夾緊狀態等效應力云圖

圖8 鐓粗狀態等效應力云圖

圖9 夾緊狀態下應力集中點（邊界條件N）

表1 夾緊狀態時機架的應力計算值/MPa

圖10所示為夾緊狀態的應變云圖。其中，最大應變點在柱塞缸缸筒上部，最大應變為0.68mm，相對于機架的總體尺寸（長2820mm，高度3665mm）來說變形量很小，最大變形率為0.68/3665，在萬分之二左右，表明機架已經具有較好的剛度。

圖10 夾緊狀態下應變云圖（邊界條件N）

4 機架結構優化

根據計算結果，從減小以上應力集中區域的目標進行結構優化。在圖11中所示的P和Q處圓角半徑由300mm增大至320mm，以期降低B、C兩處的應力。

圖11 機架結構優化示意圖

對新的模型進行如前述相同的處理，計算結果如表2。從計算結果可以看出，B、C點的應力峰值均有明顯降低。結構優化后的應力結果滿足設計要求。

圖12為結構優化后的應變云圖，夾緊狀態下機架最大應變位于柱塞缸缸筒上部，最大值為0.66mm，結構優化后的剛度滿足設計要求。

另外，由于機架中環形面板的面積較大，只能采用拼焊方法來設計制造，有限元分析結果可以作為設計中的參考，設計的焊縫位置要避開應力較大區域。

表2 結構優化后機架的應力計算值/MPa

圖12 結構優化后的應變云圖（邊界條件N）

5 結論

通過對管端加厚機機架的有限元數值模擬，可以比較容易地得到機架在工作過程中的應力和應變分布情況，發現結構設計中存在的問題，進而根據計算結果對機架設計進行優化，得到較好的設計結果。

[1]裴志強，權曉惠.石油鉆桿管端加厚工藝研究 [J].重型機械，2002，（4）：33-36.

[2]王振志，滿國祥，李曉暉，等.鉆桿加厚鍛造生產線的研發[J].地質裝備，2008，（3）：18-23.

[3]王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學出版社，2003.

[4]劉惟信.機械最優化設計[M].北京：清華大學出版社，2002.

[5]高 翔，胡 淼.框式熱壓機機架有限元分析及結構優化設計[J].機械設計，2009，26（4）：62-64.

The finite element numerical simulation and optimized design for the frame of pipe end upsetting machine

HU Hong1,2,WANG Jianguo1,2,DU Xuebin1,2,XU Nenghui1,2,SHAO Guodong1,2
（1.State Key Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment Technology, Xi'an 710032,Shaanxi China; 2.China National Heavy Machinery Research Institute Co.,Ltd., Xi'an 710032,Shaanxi China）

The frame of pipe end upsetting machine is a welding part with complex structure,which is a key component of the main machine.The numerical model has been established to the frame and finite element calculation has been performed.The structure and force status of the frame have been improved according to the calculation result,which accumulates experiencesfor the further design of the structure.

Pipe end upsetting machine;Finite element numerical simulation;Optimized design

TG376.9

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.021

1672－0121（2016）04－0067－04

2016－02－26；

2016－04－17

陜西省科技統籌創新工程計劃項目（2014KTCL01－01）；中國重型機械研究院股份公司科研項目（K1305410）

胡 洪（1962－），男，高級工程師，從事重型鍛壓裝備及工藝研究。E－mail：huhong－erzhong＠sina.com