基于DEFORM的皮爾格熱軋復合鋼管有限元模擬及分析★

何宗霖

（山西工程職業技術學院 機械工程系， 山西 太原 030009）

雙金屬復合材料管由兩種不同的金屬材料、比如合金鋼和碳鋼通過各種變形和綜合技術使兩種材料結合成一個有機的整體，是一種新型的金屬復合管道。其一般設計原則是，基層管材滿足管道設計許用應力，且涂層管材耐腐蝕或耐磨。雙金屬復合管相對于整體合金管可以有效地降低成本。考慮到整體合金管應力腐蝕開裂對環境的敏感性，雙層金屬復合管可以提高安全性和可靠性。隨著工業技術的發展和國際競爭加劇，許多金屬管道綜合性能的要求越來越高，因此雙金屬復合管及其生產技術得到了快速的發展[1]。

目前雙金屬復合管的生產方法主要包括冷連軋法、水壓法、離心鑄造法、爆炸成型法等。普遍存在的問題基本包括：結合層結合力弱，達不到冶金融合的效果；實踐成本高，操作有一定的危險性等等[2]。本文采用皮爾格熱軋復合管，以期能夠實現不銹鋼和碳鋼管的生產。

1 皮爾格軋制復合管工藝

實驗用皮爾格軋機如圖1所示，圖1中框內即為軋輥，軋輥上開有變截面的孔型，鋼管是由此上下軋輥反復軋制成形的。軋制時將復合管坯加熱至800℃

2 有限元模型的建立

皮爾格熱軋鋼管的有限元模型如圖2所示。模型由上、下軋輥，管材，芯棒和推塊組成[4]。將軋輥、芯棒、推塊設定為剛體，復合管坯定義為塑性體。

圖1 皮爾格軋機總圖

圖2 皮爾格熱軋復合鋼管鋼管有限元模型

其工藝參數與有限元模擬所使用的工藝參數完全一致，見下頁表1。

2.1 網格劃分

復合管坯網格劃分如下頁圖3所示，采用deform自帶圓環輥軋建立內外復合管六面體網格。外管最小邊緣長度1.97mm，內管最小邊緣長度3.4mm。網格劃分太小會導致計算量大幅提升，精度也不會明顯提高。

表1 皮爾格冷軋機基本工藝參數

圖3 復合管坯網格劃分

2.2 邊界條件定義

通過實際測量得到軋輥的平移速度為1680mm/s，進而得到軋輥角速度為11 rad/s。上下軋輥平移速度方向大小一致；角速度大小相等，方向始終相反。

2.3 接觸關系定義

摩擦類型選用庫倫摩擦，實際生產中在800℃進行，潤滑油進行潤滑，所以設定軋輥、芯棒與管材之間的摩擦系數為0.1。推塊與復合管外管、內管接觸關系為不可分離。

2.4 模擬控制

采用拉格朗日增量算法，結果步數定義為跟隨模具位移，常數值為0.7 mm；網格重畫分干涉深度定義為相對，相對值為0.7；迭代法采用直接迭代法，求解器選用共軛梯度法；步數step設定每40步一保存。

3 有限元模擬后處理

3.1 頭部及尾部質量

由圖4可知，頭部在整個軋制過程中沒有到邊界條件的約束，兩種金屬材料塑性變形不一致，所以出現了層次不齊的現象。成品管材需要鋸切掉這段。尾部由于推塊的約束，非常平整。

3.2 軋制過程中金屬流動情況

圖5為復合管軋制過程中4個典型截面出現的金屬流動變化，結合4個典型截面和附近區域，兩種金屬的流動方向基本一致。截面1、2、3主要體現在周向流動，截面4即復合管自由端的位置，金屬主要沿軋制方向流動。

圖5 軋制過程中4個典型截面金屬流動變化

3.3 等效應力

由圖6可以看出，外管的最大應力主要集中在與軋制大變形區域，最大應力可達312 MPa，頭部及尾部應力稍小，102 MPa左右；內管的最大應力分別分布在與外管對應的接觸變形區，最大應力值為402 MPa，頭尾部應力在50.5～101 MPa，局部可達201 MPa。

圖6 內外管應力云圖

4 結論

1）本文利用DEFORM-3D建立了皮爾格熱軋45鋼與316不銹鋼復合鋼管軋制的有限元模型，結合生產工藝，確定其模擬參數，邊界條件及摩擦接觸關系。完整的模擬了從復合管坯到成品復合管的熱軋過程。

2）根據模擬仿真的結果，分析了皮爾格熱軋復合管坯的過程中：復合管頭尾部質量原因；各階段雙層金屬管金屬流動變化規律；復合管內外管表面等效應力分布規律。