全基哲，陳 軍

(寶鋼研究院，上海 201900)

0 前言

隨著材料科學(xué)和冶金技術(shù)的進步，管線工業(yè)正在朝著高輸送壓力和大輸送流量的方向發(fā)展。管線鋼管的強度要求越來越高，管壁越來越厚，直徑越來越大，極大地促進了管線鋼管制造技術(shù)的發(fā)展。在世界上第一套生產(chǎn)大直徑直縫埋弧焊管的UOE機組面世20年來，以日本為代表的一些工業(yè)發(fā)達國家和地區(qū)，競相發(fā)展被譽為世界上最先進的UOE大直徑直縫埋弧焊管制造技術(shù)。

UOE是鋼管成型工序U-forming、O-forming和機械擴徑mechanical Expanding的縮寫。UOE成型工藝如圖1所示。

圖1 UOE成型示意圖Fig.1 Shaping diagram of UOE

1 有限元分析模型

1.1 預(yù)彎邊機結(jié)構(gòu)

預(yù)彎邊是為消除管筒直邊段以確保得到橫斷面為正圓形的管坯、降低后繼O成型力、改善O成型過程中板邊與模具表面接觸狀態(tài)而采取的成型前的準備工序，也是保證最終焊管焊縫區(qū)域幾何形狀和尺寸精度的一個重要工序。C型預(yù)彎邊機結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 C機結(jié)構(gòu)三維實體圖Fig.2 3-D stereogram of C type pre-bending machine

C型預(yù)彎機由左右兩側(cè)C型機架組成，每側(cè)C型機架則由上機架、中間機架、下機架組成，各機架之間通過通過高強度預(yù)緊拉桿連接，共包含5根粗拉桿、5根細拉桿、8根橫拉桿，C型預(yù)彎機在彎邊過程中產(chǎn)生的彎邊力通過彎邊模具和液壓缸傳遞到上下機架上。C型預(yù)彎機其形狀比較復(fù)雜，且結(jié)構(gòu)非常龐大，受制造條件的限制，在制造C型預(yù)彎機時難免會出現(xiàn)各種制造缺陷，如裂紋、組織疏松等。本文中利用有限元方法模擬，C型預(yù)彎機在預(yù)緊拉桿的作用下各機架的應(yīng)力分布，并對比分析C型預(yù)彎機在彎邊過程中應(yīng)力分布的變化，從而評估C型預(yù)彎機的承載能力。

1.2 有限元模型

圖3為C型預(yù)彎機有限元模型示意圖，根據(jù)C型預(yù)彎機的結(jié)構(gòu)及載荷對稱關(guān)系，對C型預(yù)彎機的一半進行有限元模擬，為了保證計算精度，模型采用8節(jié)點六面體單元劃分網(wǎng)格。表1為有限元模型中各部件之間的接觸關(guān)系表，共包含8個接觸對。

表1 有限元模型接觸表Tab.1 Contact list for finite element model

圖3 C型預(yù)彎機有限元模型示意圖Fig.3 Diagram of finite element model of C type pre-bending machine

1.3 載荷施加方法

C型預(yù)彎機在裝配時通過豎向和橫向的18根拉桿預(yù)緊連接，預(yù)緊力始終作用到機架上，因此在模擬C型預(yù)彎機受力時，必須考慮預(yù)緊力的作用。目前，模擬預(yù)緊力的方法主要有兩種:一是通過降溫法，即利用溫度降低時引起的物體收縮變形，將預(yù)緊力換算成對應(yīng)的溫度載荷;二是利用設(shè)置過盈量的方法，即在模型中的拉桿長度比實際長度小于過盈量值，過盈量為拉桿和機架在預(yù)緊力作用下的變形總和。

C型彎邊機在生產(chǎn)中主要承受彎邊力和夾緊力的作用，彎邊力存在一個水平方向分力，彎邊力和夾緊力均通過模具或液壓缸作用到上機架和下機架，如圖4所示。

圖4 C型預(yù)彎機載荷施加示意圖Fig.4 Diagram of loading force exerting on C type pre-bending machine

2 有限元計算結(jié)果分析

2.1 預(yù)緊工況下的有限元分析

圖5為C型預(yù)彎機在預(yù)緊力的作用下的等效應(yīng)力分布，圖中僅顯示等效應(yīng)力大于40 MPa的區(qū)域。從應(yīng)力分布來看，高應(yīng)力區(qū)域主要集中在預(yù)緊拉桿和各機架的接觸區(qū)域以及各機架之間的接觸區(qū)域，其應(yīng)力主要以壓應(yīng)力為主。對上機架來說，與預(yù)緊拉桿接觸區(qū)域的應(yīng)力大約為120～150 MPa，上機架與中間機架的接觸區(qū)域應(yīng)力達到200 MPa以上，中間支架在預(yù)緊力的作用下其應(yīng)力處于較高水平，其中與上機架接觸的U型槽區(qū)域 (圖中B點)應(yīng)力達到230 MPa，與下機架接觸區(qū)域應(yīng)力達到120 MPa左右，橫向拉桿和中間機架接觸區(qū)域 (圖中C點)應(yīng)力水平也達到130 MPa左右，下支架的高應(yīng)力區(qū)域主要集中在拉桿接觸的區(qū)域。

圖5 預(yù)緊工況下C型彎邊機應(yīng)力分布Fig.5 Stress distribution of C type pre-bending machine under pretighening condition

2.2 彎邊工況下的有限元分析

圖6表示C型預(yù)彎機在預(yù)緊力和彎邊力作用下的應(yīng)力分布，相比于預(yù)緊工況，上機架的應(yīng)力總體上增加，特別是與拉桿接觸區(qū)域的應(yīng)力水平稍有增加，但在彎邊力的作用下與中間機架接觸區(qū)域 (圖中D點)的應(yīng)力水平則有所減小，大約在180 MPa左右。中間機架在彎邊力的作用下，應(yīng)力有所釋放，整體應(yīng)力水平下降，與上機架接觸的區(qū)域 (圖中B點)的應(yīng)力大約在190 MPa左右，中間機架與橫向拉桿的接觸區(qū)域(圖中C點)的應(yīng)力則有所增加，達到130～140 MPa，其主要原因是因為在彎邊力存在水平分力。下機架的整體應(yīng)力水平增加，在基與拉桿接觸區(qū)域的應(yīng)力增加。

圖6 彎邊過程中C型彎邊機應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of C type pre-bending machine in edge bending process

2.3 分析結(jié)果

通過對預(yù)緊工況和彎邊工況下C型彎邊機的有限元分析可知，C型彎邊機主要應(yīng)力集中在預(yù)緊拉桿與C型彎邊機機架接觸的區(qū)域以及各機架之間的接觸區(qū)域，如預(yù)緊拉桿與機架接觸區(qū)域應(yīng)力雖然是壓應(yīng)力為主，但其應(yīng)力始終處于較高水平，因此生產(chǎn)和制造中對該區(qū)域要足夠重視;同樣，中間機架和上機架的接觸區(qū)域，應(yīng)力也始終處于較高水平，特別是對中間機架的U型槽區(qū)域 (圖5中B點)的應(yīng)力處于兩相壓應(yīng)力區(qū)域，且在預(yù)緊和彎邊過程中應(yīng)力有周期性變化，因此對該區(qū)域結(jié)構(gòu)不能有較大制造缺陷，對今后維護也提出更高要求。

3 應(yīng)力應(yīng)變測試結(jié)果分析

現(xiàn)場應(yīng)力應(yīng)變測試情況如圖7所示，考慮中間機架應(yīng)力較高，應(yīng)力應(yīng)變測試主要以中間機架為主，中間機架沿著高度方向一共有6個測點，上機架在轉(zhuǎn)角處設(shè)置一側(cè)測點。主要針對僅有預(yù)緊力的工況和彎邊過程進行測試，其測試情況如圖8所示。表2給出了通過應(yīng)力應(yīng)變測試得到的C型預(yù)彎機各部位的應(yīng)力與有限元仿真結(jié)果的對比情況，現(xiàn)場測試結(jié)果與有限元仿真結(jié)果相仿，證明通過有限元計算出的C型預(yù)彎機應(yīng)力比較準確，也證明通過設(shè)置過盈量的方法可有效正確的模擬預(yù)緊力，為評價C型預(yù)彎機承載能力提供技術(shù)依據(jù)。

圖7 現(xiàn)場應(yīng)力應(yīng)變測試Fig.7 Stress-strain testing on spot

圖8 現(xiàn)場應(yīng)力應(yīng)變測試情況Fig.8 Results of stress-strain testing on spot

表2 應(yīng)力應(yīng)變測試結(jié)果與有限元計算結(jié)果對比Tab.2 Contrast of stress-strain testing results and finite element calculation results MPa

4 結(jié)論

在三維有限元模型中，通過設(shè)置過盈量的方法模擬了具有較大預(yù)緊力的C型預(yù)彎機應(yīng)力狀態(tài)，給出了在預(yù)緊力的作用和彎邊狀態(tài)下C型預(yù)彎機各機架的應(yīng)力分布，并對C型預(yù)彎機進行了現(xiàn)場應(yīng)力應(yīng)變測試，測試結(jié)果與有限元計算結(jié)果相仿，證明通過上述方法能準確的模擬具有較大預(yù)緊力的C型預(yù)彎機承載能力，為評估C型預(yù)彎機承載能力提供了技術(shù)依據(jù)。

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