針對(duì)直縫埋弧焊管過(guò)程中徑厚比較大時(shí)，常出現(xiàn)板邊不直成波浪狀，影響生產(chǎn)進(jìn)度和效率的問(wèn)題。本文提出了模具移動(dòng)和產(chǎn)品移動(dòng)兩種仿真分析方法，對(duì)鋼管的成型過(guò)程進(jìn)行仿真，來(lái)了解鋼管成型的內(nèi)應(yīng)力變化規(guī)律和影響因素，并通過(guò)實(shí)例化的仿真分析設(shè)置和計(jì)算，驗(yàn)證了這兩種方法的可行性。

中石化石油機(jī)械股份有限公司沙市鋼管分公司是國(guó)內(nèi)石油、天然氣行業(yè)生產(chǎn)螺旋埋弧焊、直縫埋弧焊鋼管及玻璃鋼抽油桿的重點(diǎn)骨干企業(yè)。工廠擁有一條進(jìn)口直縫埋弧焊管生產(chǎn)線，生產(chǎn)鋼管外徑范圍為φ219-610，壁厚為4-19.1，徑厚比區(qū)間為16:1～73:1。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼管徑厚比越大時(shí)，鋼卷板邊在成型時(shí)越不穩(wěn)定；如生產(chǎn)品φ406.4×5.6mm的鋼管時(shí)，鋼管的徑厚比已達(dá)接近機(jī)組設(shè)計(jì)上限，常出現(xiàn)板邊不直成波浪狀，使得無(wú)法正常焊接，影響生產(chǎn)進(jìn)度和效率。因此需要對(duì)鋼管的成型過(guò)程進(jìn)行仿真分析，研究鋼管成型的內(nèi)應(yīng)力變化規(guī)律和影響因素，解決板邊波浪問(wèn)題，提高鋼管成型質(zhì)量。實(shí)際鋼管的生產(chǎn)過(guò)程有彎邊和精成型兩個(gè)板型較化較大的區(qū)域，本次仿真分析針對(duì)彎邊區(qū)域進(jìn)行仿真分析。

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本項(xiàng)目仿真分析的對(duì)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(shí)本項(xiàng)目的研究對(duì)象實(shí)體較大，產(chǎn)生的網(wǎng)格數(shù)量多，物體運(yùn)動(dòng)速度快，設(shè)備內(nèi)部的受力情況不是十分清楚、難以量化。因此，針對(duì)研究對(duì)象，我們提出仿真方案：鋼帶成型過(guò)程中，輥?zhàn)訅褐搸мD(zhuǎn)動(dòng)，各輥?zhàn)拥乃俣仁遣煌模搸Ы?jīng)過(guò)輥?zhàn)又饾u變形成圓管形狀，在這個(gè)過(guò)程中可以認(rèn)為輥?zhàn)記](méi)有變形，而只有鋼帶發(fā)些變形。故在有限元仿真過(guò)程中可設(shè)所有的輥?zhàn)訛閯傂泽w，鋼帶為柔性變形體。

3.1 幾何建模處理

根據(jù)鋼帶在彎邊區(qū)成型時(shí)各輥的空間位置，塔建彎邊區(qū)域的空間三維模型。首先依據(jù)廠家提供的零件CAD圖，用solidworks軟件繪制出各輥?zhàn)拥娜S實(shí)體模型，再根據(jù)各軋輥空間參數(shù)裝配建立彎邊區(qū)的空建整體三維模型；對(duì)鋼帶的實(shí)體建模，考慮到鋼帶為連續(xù)帶狀的實(shí)體，其長(zhǎng)度大，且在運(yùn)動(dòng)壓輥?zhàn)冃芜^(guò)程中厚度方向變化遠(yuǎn)小于其它方向的變化，故可以將鋼帶建成一個(gè)面體，選取一定長(zhǎng)度的鋼帶來(lái)模擬代替整條鋼帶，減少仿真分析的計(jì)算量，同時(shí)根據(jù)鋼帶在經(jīng)過(guò)各壓輥過(guò)程中，鋼帶呈對(duì)稱性形變，故可選1/2的模型，進(jìn)一步減少仿真計(jì)算量。    

圖1 鋼帶彎邊區(qū)域的幾何模型

3.2 仿真邊界條件

將模型導(dǎo)入到Ansys/LS-DYNA仿真分析流程模塊中，將以各輥設(shè)為剛性體，鋼帶設(shè)為柔性體，考慮到這個(gè)仿真過(guò)程中鋼帶一定會(huì)有塑性形變，為此材料屬性應(yīng)為非線性材料，仿真試算初期，選用非線性結(jié)構(gòu)鋼作為算例中的柔性體的材料屬性。根據(jù)仿真工況和相關(guān)文獻(xiàn)中的設(shè)置方法，令剛帶以一定的速度前移，來(lái)解算鋼帶的應(yīng)力和應(yīng)變。

參考相關(guān)仿真分析文獻(xiàn)，并通過(guò)多次參數(shù)調(diào)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?zhàn)舆\(yùn)動(dòng)來(lái)模擬鋼帶成形過(guò)程；鋼帶不前后移動(dòng)，輥?zhàn)右砸欢ǖ乃俣认蜾搸M向移動(dòng)來(lái)模擬實(shí)際中的鋼帶運(yùn)動(dòng)。通過(guò)設(shè)置鋼帶與各輥?zhàn)又g的摩擦接觸，使鋼帶進(jìn)行適應(yīng)性變形。另一種方案是各輥?zhàn)訛殇擉w在原定位置不動(dòng)，只保持軸向可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，柔性體的鋼帶的一邊以一定的速度向前運(yùn)動(dòng)，并在后部施加一定的力模擬實(shí)際中的拖動(dòng)（防止上下翹動(dòng)）。

通過(guò)交流，了解到本項(xiàng)目鋼帶的規(guī)格為φ406.4×5.6mm，材料為L(zhǎng)290，現(xiàn)階段還沒(méi)有這種材料的實(shí)際應(yīng)力應(yīng)變性能曲線，考慮在這個(gè)壓輥過(guò)程中，鋼帶應(yīng)屬于彈塑性變形，故采用雙線性等向強(qiáng)化材料模型來(lái)設(shè)置鋼帶的材料屬性；取其屈服強(qiáng)度290MPa，切線模量為8600MPa；在雙線性材料模型下，以運(yùn)動(dòng)速度為200mm/s時(shí)，對(duì)彎邊區(qū)的兩種仿真方案進(jìn)一步進(jìn)行計(jì)算對(duì)比。

表2.   兩種仿真方案對(duì)比

兩個(gè)方案的計(jì)算等效應(yīng)力圖形對(duì)比： 

方案1的鋼帶的等效應(yīng)力仿真計(jì)算結(jié)果

方案2的鋼帶的等效應(yīng)力仿真計(jì)算結(jié)果

通過(guò)上述兩個(gè)模擬方案的仿真算例計(jì)算對(duì)比，可以看出塑性材料屬性參數(shù)的改變，對(duì)求解鋼帶的應(yīng)力是有很大影響的，同時(shí)可以看出這兩種方法都是可行的。