概述： 針對直縫埋弧焊管過程中，徑厚比較大時，常出現板邊不直成波浪狀，影響生產進度和效率的問題。本文提出了模具移動和產品移動兩種仿真分析方法，對鋼管的成型過程進行仿真，來了解鋼管成型的內應力變化規律和影響因素，并通過實例化的仿真分析設置和計算，驗證了這兩種方法的可行性。

正文：

1 項目來源

    中石化石油機械股份有限公司沙市鋼管分公司是國內石油、天然氣行業生產螺旋埋弧焊、直縫埋弧焊鋼管及玻璃鋼抽油桿的重點骨干企業。工廠擁有一條進口直縫埋弧焊管生產線，生產鋼管外徑范圍為φ219-610，壁厚為4-19.1，徑厚比區間為16:1～73:1。在實際生產過程中發現，當鋼管徑厚比越大時，鋼卷板邊在成型時越不穩定；如生產品φ406.4×5.6mm的鋼管時，鋼管的徑厚比已達接近機組設計上限，常出現板邊不直成波浪狀，使得無法正常焊接，影響生產進度和效率。因此需要對鋼管的成型過程進行仿真分析，研究鋼管成型的內應力變化規律和影響因素，解決板邊波浪問題，提高鋼管成型質量。實際鋼管的生產過程有彎邊和精成型兩個板型較化較大的區域，本次仿真分析針對彎邊區域進行仿真分析。

2 仿真設計方案

    根據現有設備的結構特點，本項目仿真分析的對象是鋼帶的大變形仿真，里面有材料的彈塑性等非線性的材料受力特性，同時本項目的研究對象實體較大，產生的網格數量多，物體運動速度快，設備內部的受力情況不是十分清楚、難以量化。因此，針對研究對象，我們提出仿真方案：鋼帶成型過程中，輥子壓著鋼帶轉動，各輥子的速度是不同的，鋼帶經過輥子逐漸變形成圓管形狀，在這個過程中可以認為輥子沒有變形，而只有鋼帶發些變形。故在有限元仿真過程中可設所有的輥子為剛性體，鋼帶為柔性變形體。

3 仿真模型

3.1 幾何建模處理

    根據鋼帶在彎邊區成型時各輥的空間位置，塔建彎邊區域的空間三維模型。首先依據廠家提供的零件CAD圖，用solidworks軟件繪制出各輥子的三維實體模型，再根據各軋輥空間參數裝配建立彎邊區的空建整體三維模型；對鋼帶的實體建模，考慮到鋼帶為連續帶狀的實體，其長度大，且在運動壓輥變形過程中厚度方向變化遠小于其它方向的變化，故可以將鋼帶建成一個面體，選取一定長度的鋼帶來模擬代替整條鋼帶，減少仿真分析的計算量，同時根據鋼帶在經過各壓輥過程中，鋼帶呈對稱性形變，故可選1/2的模型，進一步減少仿真計算量。    

3.2 仿真邊界條件

     將模型導入到ANSYS/LS-DYNA仿真分析流程模塊中，將以各輥設為剛性體，鋼帶設為柔性體，考慮到這個仿真過程中鋼帶一定會有塑性形變，為此材料屬性應為非線性材料，仿真試算初期，選用非線性結構鋼作為算例中的柔性體的材料屬性。根據仿真工況和相關文獻中的設置方法，令剛帶以一定的速度前移，來解算鋼帶的應力和應變。

     參考相關仿真分析文獻，并通過多次參數調整和仿真分析方案試算，可以得到兩種可行是分析方案。一種是用鋼性體的輥子運動來模擬鋼帶成形過程；鋼帶不前后移動，輥子以一定的速度向鋼帶橫向移動來模擬實際中的鋼帶運動。通過設置鋼帶與各輥子之間的摩擦接觸，使鋼帶進行適應性變形。另一種方案是各輥子為鋼體在原定位置不動，只保持軸向可自由轉動，柔性體的鋼帶的一邊以一定的速度向前運動，并在后部施加一定的力模擬實際中的拖動（防止上下翹動）。

4 仿真實例

       通過交流，了解到本項目鋼帶的規格為φ406.4×5.6mm，材料為L290，現階段還沒有這種材料的實際應力應變性能曲線，考慮在這個壓輥過程中，鋼帶應屬于彈塑性變形，故采用雙線性等向強化材料模型來設置鋼帶的材料屬性；取其屈服強度290MPa，切線模量為8600MPa； 在雙線性材料模型下，以運動速度為200mm/s時，對彎邊區的兩種仿真方案進一步進行計算對比。

表2.   兩種仿真方案對比

方案	邊界設置	計算情況
方案1 （輥子移動）	各輥子設為鋼體，鋼帶設為柔性體，材料為非線性結構鋼。各輥子與鋼帶設置摩擦接觸，摩擦系數為0.2，動摩擦系數為0.1，將中間的彎邊輥、粗一和粗二道上、下輥子的邊緣均與鋼帶設為無摩擦接觸；將粗一和粗二道的上下輥分別設為鋼體約束，只打開Z方向約束和X方向旋轉（設為Free），但將中間的彎邊上輥和下輥設為Z方向free；各輥定義速度為z方向-200mm/s；鋼帶進入端左邊設為Z方向為0位移，其它方向自由；鋼帶中心線設為X方向位移為零，其它方向自由；	18秒時刻，鋼帶最大等效應力472.49MPa，表現在彎邊輥后的板邊上。（計算例為case01）
方案2 （鋼帶移動）	各輥子設為鋼體，鋼帶設為柔性體，材料為非線性結構鋼。各輥子與鋼帶設置摩擦接觸，摩擦系數為0.2，動摩擦系數為0.1，將中間的彎邊輥、粗一和粗二道上、下輥子的邊緣均與鋼帶設為無摩擦接觸；將粗一和層二道的上下輥分別設為鋼體約束，只打開軸向旋轉X方向約束（設為Free），但將中間的彎邊上輥設為X方向旋轉free，其它方向為0的遠程位移（選自設坐標系）；彎邊下輥也設為X方向旋轉free，其它方向為0的遠程位移（選自設坐標系）；鋼帶進入端左邊設為Z方向速度，z方向200mm/s，鋼帶末端邊設拉量力1000N，方向向后；鋼帶中心線設為X方向位移為零，其它方向自由；	18秒時刻，鋼帶最大等效應力830.06MPa，表現板端部，在彎邊輥后的板邊上有不均勻等效應力，最大值約為548.45MPa。（計算例為case02）

     兩個方案的計算等效應力圖形對比： 

     通過上述兩個模擬方案的仿真算例計算對比，可以看出塑性材料屬性參數的改變，對求解鋼帶的應力是有很大影響的，同時可以看出這兩種方法都是可行的。

直縫埋弧焊管粗彎板邊仿真方案.docx

case02.rar

case01.rar