直缝埋弧焊管粗弯过程仿真解决方案

概述：

针对直缝埋弧焊管过程中，径厚比较大时，常出现板边不直成波浪状，影响生产进度和效率的问题。本文提出了模具移动和产品移动两种仿真分析方法，对钢管的成型过程进行仿真，来了解钢管成型的内应力变化规律和影响因素，并通过实例化的仿真分析设置和计算，验证了这两种方法的可行性。

1 项目来源

中石化石油机械股份有限公司沙市钢管分公司是国内石油、天然气行业生产螺旋埋弧焊、直缝埋弧焊钢管及玻璃钢抽油杆的重点骨干企业。工厂拥有一条进口直缝埋弧焊管生产线，生产钢管外径范围为φ219-610，壁厚为4-19.1，径厚比区间为16:1～73:1。在实际生产过程中发现，当钢管径厚比越大时，钢卷板边在成型时越不稳定；如生产品φ406.4×5.6mm的钢管时，钢管的径厚比已达接近机组设计上限，常出现板边不直成波浪状，使得无法正常焊接，影响生产进度和效率。因此需要对钢管的成型过程进行仿真分析，研究钢管成型的内应力变化规律和影响因素，解决板边波浪问题，提高钢管成型质量。实际钢管的生产过程有弯边和精成型两个板型较化较大的区域，本次仿真分析针对弯边区域进行仿真分析。

2 仿真设计方案

根据现有设备的结构特点，本项目仿真分析的对象是钢带的大变形仿真，里面有材料的弹塑性等非线性的材料受力特性，同时本项目的研究对象实体较大，产生的网格数量多，物体运动速度快，设备内部的受力情况不是十分清楚、难以量化。因此，针对研究对象，我们提出仿真方案：钢带成型过程中，辊子压着钢带转动，各辊子的速度是不同的，钢带经过辊子逐渐变形成圆管形状，在这个过程中可以认为辊子没有变形，而只有钢带发些变形。故在有限元仿真过程中可设所有的辊子为刚性体，钢带为柔性变形体。

3 仿真模型

3.1 几何建模处理

根据钢带在弯边区成型时各辊的空间位置，塔建弯边区域的空间三维模型。首先依据厂家提供的零件CAD图，用solidworks软件绘制出各辊子的三维实体模型，再根据各轧辊空间参数装配建立弯边区的空建整体三维模型；对钢带的实体建模，考虑到钢带为连续带状的实体，其长度大，且在运动压辊变形过程中厚度方向变化远小于其它方向的变化，故可以将钢带建成一个面体，选取一定长度的钢带来模拟代替整条钢带，减少仿真分析的计算量，同时根据钢带在经过各压辊过程中，钢带呈对称性形变，故可选1/2的模型，进一步减少仿真计算量。    

图1、钢带弯边区域的几何模型

3.2 仿真边界条件

将模型导入到ANSYS/LS-DYNA仿真分析流程模块中，将以各辊设为刚性体，钢带设为柔性体，考虑到这个仿真过程中钢带一定会有塑性形变，为此材料属性应为非线性材料，仿真试算初期，选用非线性结构钢作为算例中的柔性体的材料属性。根据仿真工况和相关文献中的设置方法，令刚带以一定的速度前移，来解算钢带的应力和应变。

参考相关仿真分析文献，并通过多次参数调整和仿真分析方案试算，可以得到两种可行是分析方案。一种是用钢性体的辊子运动来模拟钢带成形过程；钢带不前后移动，辊子以一定的速度向钢带横向移动来模拟实际中的钢带运动。通过设置钢带与各辊子之间的摩擦接触，使钢带进行适应性变形。另一种方案是各辊子为钢体在原定位置不动，只保持轴向可自由转动，柔性体的钢带的一边以一定的速度向前运动，并在后部施加一定的力模拟实际中的拖动（防止上下翘动）。

4 仿真实例

通过交流，了解到本项目钢带的规格为φ406.4×5.6mm，材料为L290，现阶段还没有这种材料的实际应力应变性能曲线，考虑在这个压辊过程中，钢带应属于弹塑性变形，故采用双线性等向强化材料模型来设置钢带的材料属性；取其屈服强度290MPa，切线模量为8600MPa； 在双线性材料模型下，以运动速度为200mm/s时，对弯边区的两种仿真方案进一步进行计算对比。

表2.   两种仿真方案对比

两个方案的计算等效应力图形对比：

 方案1的钢带的等效应力仿真计算结果

方案2的钢带的等效应力仿真计算结果

通过上述两个模拟方案的仿真算例计算对比，可以看出塑性材料属性参数的改变，对求解钢带的应力是有很大影响的，同时可以看出这两种方法都是可行的

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