基于ANSYS／LS－DYNA的焊管張力減徑數(shù)值模擬＊

白 磊，安俊靜，楊士俠，趙春江，郝琳璐

（1.太原科技大學(xué)，山西 太原 030024；2.太原普萊設(shè)工程技術(shù)有限公司，山西 太原 030024）

0 引言

目前，石油天然氣輸送鋼管、城市燃?xì)庥霉堋⒁话銠C(jī)械管、結(jié)構(gòu)管、汽車傳動(dòng)軸管、皮帶機(jī)托輥管、煤礦的排風(fēng)輸水管，以及部分低壓鍋爐管、熱力管、低強(qiáng)度油井管等這些無縫管正在由焊管取代。與無縫鋼管相比，焊管在外徑公差、壁厚公差、拉伸性能、晶粒均勻性、抗沖擊爆炸性能以及鋼管表面粗糙度方面都有著優(yōu)勢，更重要的是焊管的生產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于無縫鋼管。

ERW高頻直縫焊管，采用由高頻電流產(chǎn)生的集膚效應(yīng)把熱軋板卷邊并進(jìn)行加熱至熔融狀態(tài)，再通過機(jī)械擠壓方法進(jìn)行焊接。通過該工藝生產(chǎn)的焊管焊縫中心會(huì)有一條白色的熔合線，在熔合線兩側(cè)的熱影響區(qū)（即腰鼓形）會(huì)產(chǎn)生由中部向表面方向延伸的金屬流線，一般通過焊管熱張力減徑軋制來消除熔合線，實(shí)現(xiàn)焊管“無縫化”［1］。

針對(duì)直縫焊管，除了在張力減徑過程中獲得一致的組織外，其幾何參數(shù)精度也是必須保證的性能指標(biāo)，尤其是外徑Φ426 mm～Φ610 mm的大口徑鋼管，對(duì)其外形尺寸和壁厚均有較高精度要求。因此有必要對(duì)焊管張力減徑過程進(jìn)行模擬，對(duì)張力減徑過程中壁厚變化規(guī)律及其控制方法進(jìn)行研究，更好地保證工藝的有效性。

1 焊管熱張力減徑軋制工藝

焊管熱張力減徑軋制工藝是以焊管的質(zhì)量及其可靠性為目標(biāo)，其技術(shù)指標(biāo)與無縫管等同，同時(shí)部分性能優(yōu)于無縫管。具體是將焊接好的鋼管作為母管，通過中間加熱爐將其加熱到920℃～950℃，不等奧氏體晶粒長大，經(jīng)張力減徑機(jī)軋制，進(jìn)行延伸變形，并在線實(shí)現(xiàn)變形熱處理，使焊縫處經(jīng)過兩次相變后與母材一起熱變形，在同等條件下完成焊管焊縫恢復(fù)再結(jié)晶的過程，成品管焊縫組織基體與母體組織一致［2］，最終獲得均勻的組織［3］。

2 焊管張力減徑各機(jī)架壁厚計(jì)算

最大張力系數(shù)由如下經(jīng)驗(yàn)方法確定：

其中：c為成品管和荒管厚徑比平均值，c＝0.5［（s0／d0）＋（se／de）］，s0為荒管壁厚，se為成品管壁厚，d0為荒管外徑，de為成品管外徑。

求出Zm后，根據(jù)圖1所示的張力在機(jī)架中的分布情況，求出第i架的平均張力系數(shù)Zi。

在已知si－1并求出Zi后，計(jì)算各孔型的平均直徑di＝ai＋bi（其中，ai為第i架軋輥孔型的長軸，bi為第i架軋輥孔型的短軸）。利用迭代法求出經(jīng)過各個(gè)機(jī)架管子的壁厚值si。首先計(jì)算第i架變形區(qū)的壁厚系數(shù)ri：

其中：si－1，si分別為第i架管子軋前和軋后壁厚；di－1，di分別為第i架管子軋前和軋后外徑。

圖1 張力在機(jī)架中的分布情況

設(shè)βi為第i架管子的壁厚和中徑的對(duì)數(shù)變形比，則有：

具體迭代過程如下：先以si－1代替式（3）中的si求出ri，再以此ri代入式（4）中求出βi，再以此βi和si－1代替式（5）中括號(hào)內(nèi)的si，用式（5）計(jì)算得到另一個(gè)si值；再以此si作為已知參數(shù)代入式（3）和式（5）得到新的si值；如此不斷迭代，直到前、后兩次所得的si值無明顯變化（兩者差小于0.01 mm）時(shí)，把最后得到的si值作為所求即可。最后計(jì)算出通過所有機(jī)架軋輥鋼管的壁厚值，見表1。求出的壁厚偏差若超過公差，則要重新選擇荒管壁厚或張力系數(shù)［4］。

表1 各機(jī)架鋼管壁厚計(jì)算值

3 張力減徑過程的數(shù)值模擬

3.1 建立三維模型

根據(jù)各機(jī)架軋輥孔型參數(shù)和焊管尺寸在Pro／E軟件中構(gòu)造三維實(shí)體模型。

在張力減徑過程中，焊管內(nèi)部不帶芯棒，焊管依次通過各機(jī)架孔型，完成焊管的連續(xù)加工，在減徑的過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)減壁。此張減機(jī)組為19架，軋輥使用橢圓孔型，孔型的3個(gè)軋輥呈120°Y字形分布，奇數(shù)機(jī)架與偶數(shù)機(jī)架互呈60°交替排列。焊管初始尺寸為Φ141.13×6 mm，成品管尺寸為Ф73.60×5.49 mm。建成的焊管張力減徑三維實(shí)體模型如圖2所示。

圖2 焊管張力減徑三維模型

3.2 有限元模擬過程

將Pro／E中已建好的模型通過接口導(dǎo)入ANSYS軟件中，模型單元定義為Solid164實(shí)體單元。將各個(gè)機(jī)架的軋輥定義為剛體，焊管定義為彈塑性體。軋輥選擇Rigid類型，設(shè)密度為7 550 kg／m3，彈性模量為173 GPa，泊松比為0.3，并且限制x，y，z方向的移動(dòng)及2個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。將焊管作為彈塑性體，選擇Bilinear Isotropic類型，設(shè)定材料的密度為7 850 kg／m3，彈性模量為173 GPa，泊松比0.27，屈服強(qiáng)度為170 MPa，剪切模量為1.17 GPa［5］。

將軋輥和焊管按照順序定義為part單元，然后依次對(duì)每個(gè)part單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于剛體是不發(fā)生形變的，所以網(wǎng)格劃分略粗一些。焊管是彈塑性體，在軋制力的作用下會(huì)發(fā)生形變，所以網(wǎng)格要細(xì)化。模型的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 模型的網(wǎng)格劃分

設(shè)定靜態(tài)摩擦系數(shù)和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)分別為0.3和0.2。選擇軋輥為目標(biāo)面，焊管為接觸面，選擇surface to surt類型，Automatic接觸，依次完成每一個(gè)接觸對(duì)的定義。

設(shè)軋輥的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為25 s，再定義各軋輥的轉(zhuǎn)速數(shù)組，根據(jù)軋輥的旋轉(zhuǎn)軸選擇剛體旋轉(zhuǎn)類型，選擇所定義的軋輥part及時(shí)間數(shù)組和轉(zhuǎn)速數(shù)組，完成軋輥的載荷加載。最后定義求解時(shí)間，進(jìn)行求解［6］。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖4為第1，3，5，7，9，11，13，15，17機(jī)架的鋼管截面圖。對(duì)現(xiàn)場軋制的成品管材進(jìn)行取樣，對(duì)壁厚進(jìn)行測量，與壁厚的理論計(jì)算值和有限元模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。從圖5中可以看到，理論計(jì)算出的壁厚值與實(shí)測出的壁厚值非常吻合，誤差基本在2%以下，說明此壁厚理論計(jì)算公式是準(zhǔn)確的。運(yùn)用ANSYS模擬出的壁厚值與實(shí)測值的趨勢基本一致，誤差不超過4%，證明此模擬結(jié)果符合實(shí)際，對(duì)現(xiàn)場生產(chǎn)有很大的指導(dǎo)意義。圖5中位于第3機(jī)架的鋼管與第1，2機(jī)架的鋼管壁厚相比有增加的趨勢，最后幾架的管壁與第15機(jī)架的管壁相比壁厚有增加的趨勢，這是由于鋼管在咬入和拋出的過程中，張力系數(shù)較小導(dǎo)致管壁增厚現(xiàn)象。這一現(xiàn)象普遍存在于鋼管的軋制工藝，應(yīng)盡量減少或消除管壁增厚。

圖4 各機(jī)架處焊管斷面

圖5 焊管過每機(jī)架的壁厚分布

5 結(jié)論

本文主要研究了焊管張力減徑過程中壁厚的變化情況，介紹了管壁計(jì)算公式及其迭代計(jì)算過程，針對(duì)某一焊管參數(shù)，對(duì)其張力減徑過程進(jìn)行了基于ANSYS／LS－DYNA的有限元模擬，對(duì)張力減徑過程中管壁厚度的變化進(jìn)行了虛擬再現(xiàn)，并與理論計(jì)算值以及實(shí)測值進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算出的壁厚值與實(shí)測出的壁厚值非常吻合，誤差基本在2%以下，驗(yàn)證了由此理論計(jì)算公式得出的工藝參數(shù)的正確性；運(yùn)用ANSYS模擬出的壁厚值與實(shí)測值的趨勢基本一致，誤差不超過4%，證明此模擬結(jié)果符合生產(chǎn)實(shí)際，為焊管張減工藝與設(shè)備參數(shù)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

［1］ Hans Joachim Pehle，郭樺.無縫鋼管的現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］.鋼管，2003，32（6）：47－52.

［2］ 孟憲成.熱張減技術(shù)在焊管生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.焊管，1998，21（5）：21－25.

［3］ 冀偉，趙實(shí)鳴.焊管無縫化生產(chǎn)工藝技術(shù)的特點(diǎn)與應(yīng)用前景［J］.天津冶金，1998（3）：1－5.

［4］ 周研.鋼管微張力減徑工藝參數(shù)研究及軟件開發(fā)［D］.太原：太原科技大學(xué)，2008：1－15.

［5］ Takuya Nagahama，Akira Yorifuji，Takaaki Toyook.Behaviour of polygon formation in hot stretch reducing of tubes［J］.International Tube Association，2003，22（3）：72－76.

［6］ 時(shí)黨勇，李裕春，張勝民.基于 ANSYS／LS－DYNA 8.1進(jìn)行顯式動(dòng)力分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.