田倩倩，葉金鐸，王獻抗

(1.天津交通職業(yè)學(xué)院，天津 300110；2.天津理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，天津 300384)

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設(shè)計計算

雙金屬復(fù)合無縫鋼管斜軋過程的有限元分析

田倩倩1，葉金鐸2，王獻抗2

(1.天津交通職業(yè)學(xué)院，天津 300110；2.天津理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，天津 300384)

本文應(yīng)用MARC有限元軟件并采用三維熱力耦合的彈塑性有限元法，對不銹鋼/碳鋼雙金屬復(fù)合無縫鋼管斜軋過程進行了有限元分析，得到了坯料斷面孔型變形圖，分析得出了應(yīng)力、應(yīng)變與溫度場的分布，根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果繪制了管坯斜軋過程中輥縫下斷面沿圓周的軸向應(yīng)力、環(huán)向及徑向應(yīng)力分布曲線，并根據(jù)應(yīng)力分布特點解釋了鋼管斜軋過程成形機理。研究成果可以為工藝參數(shù)的設(shè)計提供參考。

雙金屬復(fù)合無縫鋼管；斜軋；有限元法；熱力耦合；數(shù)值模擬

0 前言

雙金屬復(fù)合無縫鋼管具有較強的耐蝕性能及綜合性能，可大大降低管道生產(chǎn)和維護成本，因此己經(jīng)在腐蝕性較強的石油、石化、核電、海洋平臺以及醫(yī)藥等領(lǐng)域獲得廣泛認同。目前，斜軋技術(shù)在無縫鋼管的生產(chǎn)過程中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，不僅用于穿孔工序，還用在軋管、均整、定徑、延伸、擴經(jīng)和旋壓等基本工序[1]。

本文以碳鋼Q235為外層基體、SUS316L不銹鋼為內(nèi)層雙金屬復(fù)合鋼管為主要研究對象，應(yīng)用高級非線性有限元MSC.MARC軟件，對雙金屬無縫鋼管斜軋過程建立熱力耦合模型并進行數(shù)值模擬，獲取了斜軋穩(wěn)定階段的空間應(yīng)力分布，繪制了管坯斜軋過程中輥縫下斷面沿圓周的應(yīng)力分布曲線，并根據(jù)應(yīng)力分布特點解釋了鋼管斜軋過程成形機理。文中研究成果可以在無縫鋼管斜軋成型工藝設(shè)計時作為參考。

1 有限元模型的建立

1.1 有限元網(wǎng)格劃分

圖1給出的是三維雙金屬復(fù)合無縫鋼管斜軋模型，管坯材質(zhì)為外層碳鋼Q235、內(nèi)層SUS316L不銹鋼；軋輥為錐形輥，輥距為65 mm，導(dǎo)距為74 mm，芯棒直徑為56 mm；咬入角α為10.5°，輾軋角β為15°，軋輥轉(zhuǎn)速為50 r/min。管坯外層金屬：φ75 mm×4 mm、內(nèi)層層金屬φ67 mm×3 mm；管坯共劃分7 200個單元，9 182個節(jié)點。計算中采用更新的拉格朗日算法、Prandtl-Reuss流動方程和Von-Mises屈服準則處理兩輥斜軋過程中的三維大變形問題。兩輥斜軋有限元模型以及網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。

圖1 兩輥斜軋有限元模型Fig.1 Finite element model of two rollers cross-rolling

1.2 材料屬性

管坯外層金屬Q(mào)235和管坯內(nèi)層金屬SUS316L不銹鋼分別從MSC.MARC的材料庫中選Qst32-3和X5CrNiMo18-10(1)。

1.3 邊界條件

軋輥、芯棒與導(dǎo)板均視為剛形體，為了給管坯一個初始速度來實現(xiàn)管坯的咬入，模型中設(shè)置了一個推板，以一定的速度作用于管坯尾部。推板相當于實際斜軋時的推鋼機，當管坯被咬入后，推板停止運動，隨后，由軋輥接觸邊界帶動管坯向前運動實現(xiàn)斜軋過程；管坯的初始溫度設(shè)為1150℃；環(huán)境溫度取25℃、軋輥和導(dǎo)板溫度取200℃。

1.4 接觸體定義

管坯與軋輥接觸面間遵循剪切摩擦定律，它們之間的摩擦因數(shù)為0.7；管坯的自由表面與周圍環(huán)境之間的等效換熱系數(shù)為 0.17 N/(s·mm·℃)，管坯與軋輥之間接觸傳熱系數(shù)為20 N/(s·mm·℃)；管坯變形時變形功轉(zhuǎn)換成熱的轉(zhuǎn)換系數(shù)為 0.9；管坯與軋輥接觸表面摩擦產(chǎn)生熱量平均分配給工件和軋輥。

2 模擬結(jié)果及分析

經(jīng)過有限元仿真模擬，可以觀察到兩輥斜軋雙金屬管坯時，管坯從咬入、減徑、減壁到輾軋拋出的全過程要經(jīng)過一個由圓形、橢圓形再到圓形的變形過程，如圖2所示。管坯在軋輥入口錐被咬入后，首先徑向受到壓縮減徑，使空心雙金屬管坯的內(nèi)表面逐漸貼近芯棒，并初步形成一個橢圓形的斷面形狀，為經(jīng)過軋輥的集中變形區(qū)時聚集足夠的軋制咬入力。在管坯將要達到輥喉位置時，受到減徑減壁的大變形。隨后進入精整段后，由于軋輥精整段平行于芯棒，此時雙金屬管坯受到均勻輾軋。在軋輥出口錐定型段，孔喉逐漸變大，管坯變形加劇，橢圓形壓扁逐漸消失，直到雙金屬管坯被歸圓拋出軋輥。

圖2 坯料斷面變形圖Fig.2 Billet cross-section shape of each stand outlet

2.1 坯料受力特征分析

通過模擬計算，提取了雙金屬無縫鋼管在穩(wěn)定軋制階段的軸向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力，根據(jù)應(yīng)力數(shù)值繪制了三向應(yīng)力分布曲線，進而得知應(yīng)力分布狀態(tài)。兩輥斜軋雙金屬無縫鋼管軋制過程中輥縫下坯料的斷面應(yīng)力圖如圖3所示，在軋制過程中，雙金屬無縫鋼管的軸向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力均發(fā)生了符號的變化。圖3b、c和d為斜軋成型時穩(wěn)定階段鋼管外徑、內(nèi)壁和交界面的軸向應(yīng)力Sz、環(huán)向應(yīng)力Sy和徑向應(yīng)力Sx沿坯料圓周的分布。

由圖3曲線可知，在與輥縫相接觸的外徑位置，為一向拉應(yīng)力兩向壓應(yīng)力狀態(tài)，且最大應(yīng)力為徑向壓應(yīng)力，為200 MPa左右，有利于坯料的集中變形，而軸向拉應(yīng)力為100 MPa左右，則利于坯料的軸向運動；在即將與軋輥接觸和即將于軋輥分離的過渡區(qū)，內(nèi)壁和界面的徑向應(yīng)力均由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，且最大壓應(yīng)力為300 MPa左右，而外徑則有和內(nèi)壁與界面相反的徑向應(yīng)力分布規(guī)律。環(huán)向應(yīng)力則和徑向應(yīng)力分布規(guī)律相似。在外徑和內(nèi)壁，軸向應(yīng)力均在坯料與導(dǎo)板接觸的地方存在最大應(yīng)力，且與外徑接觸處有最大拉應(yīng)力，值為400 MPa，與內(nèi)壁接觸的地方有最大壓應(yīng)力，值為300 MPa，而內(nèi)壁最大拉應(yīng)力發(fā)生在導(dǎo)板與軋輥間的位置，為150 MPa。由環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力在外徑、內(nèi)壁以及界面的分布特點可知，環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力均沒有明顯的對稱特性，且均經(jīng)歷了拉-壓-拉的循環(huán)，這就正好解釋了管坯在斜軋過程中是螺旋前進的，既存在軸向拉應(yīng)力也存在環(huán)向拉應(yīng)力。

圖3 兩輥斜軋穩(wěn)定階段輥縫下坯料斷面應(yīng)力圖Fig.3 Three-dimensional normal stress distribution curve along the circle of the steel tube in stable rolling stage

2.2 應(yīng)力場分析

兩輥斜軋穩(wěn)定階段的等效應(yīng)力分布如圖4所示，從圖中可以看出，外層管坯最大應(yīng)力達到600 MPa，內(nèi)層管坯最大應(yīng)力為500 MPa左右，且內(nèi)外層鋼管外表面最大應(yīng)力均發(fā)生在管坯與軋輥、導(dǎo)板的接觸區(qū)，這是由于管坯在這一變形區(qū)變形程度最大，軋輥在此處的轉(zhuǎn)動線速度也是最大?？傮w上，管坯外層應(yīng)力在400 MPa左右，管坯內(nèi)層應(yīng)力在300 MPa左右。

圖4 兩輥斜軋穩(wěn)定階段等效應(yīng)力分布Fig.4 Cloud chart of equivalent stress for steel tube in stable rolling stage

2.3 溫度場分析

圖5為管坯溫度場分布情況?？梢钥闯?，在軋輥與外層管坯接觸的區(qū)域的溫度遠遠高于其它區(qū)域的溫度，而內(nèi)層管坯的溫度分布則較為均勻。這主要是外層管坯與軋輥之間存在較大的滑動摩擦。

圖5 兩輥斜軋穩(wěn)定階段溫度場分布Fig.5 Cloud chart of temperature field for steel tube in stable rolling stage

2.4 運動軌跡分析

斜軋過程中坯料上一點的運動軌跡曲線如圖6所示，由分析可知，由于軋輥的咬入角與碾軋角的作用，坯料上的節(jié)點不僅沿著軋制線方向前進，而且繞著軸線旋轉(zhuǎn)，從而形成了圖6所示的螺旋形運動軌跡。同時可以觀察到，在軋制變形的初期，坯料上的節(jié)點沿周向運動速度較快，而沿軸向運動速度較慢；隨著軋制過程的進行，周向的旋轉(zhuǎn)速度不斷減小，而沿軸向運動的速度不斷增加，在軋制出口處軸向速度達到最大并保持穩(wěn)定。

圖6 兩輥斜軋過程中坯料運動軌跡圖Fig.6 The trajectory in the process of two rollers skew rolling

2.5 軋制力分析

上下軋輥的軋制力曲線如圖7所示。在管坯咬入前，軋制力逐漸變大，在管坯咬入后的穩(wěn)定軋制階段，軋制力基本保持均勻，且軋制力在500～880 kN之間波動，這是由于斜軋過程是由局部變形累積成一個整體的變形過程，鋼管與軋輥、導(dǎo)板的接觸部位時刻在發(fā)生變化，這種變形過程導(dǎo)致了軋制力的波動變化。

圖7 軋輥的軋制力曲線Fig.7 Rolling force curve of the roll

3 結(jié)論

(1)本文采用MSC.MARC軟件，考慮了彈塑性大變形和接觸非線性有限元法，建立了兩輥斜軋雙金屬無縫鋼管過程的有限元模型，該模型能很好的模擬了坯料的軋制過程。

(2)通過雙金屬無縫鋼管斜軋過程的數(shù)值模擬，獲得了斜軋過程的應(yīng)力應(yīng)變場的分布情況、及軋制過程中軋制力的變化規(guī)律并對斜軋雙金屬無縫鋼管成形過程的機理進行了分析。

(3)本文工作可以作為理解斜軋原理的參考，也對實際軋制工藝方案的設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)并對生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

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FEA of double metal composite seamless steel tube with cross-rolling

TIAN Qian-qian1, YE Jin-duo2, WANG Xian-kang2

(1.Tianjin Transportation Vocational College，Tianjin 300110，China；2.School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China)

The numerical simulation of the cross-rolling stainless steel/carbon steel double metal composite seamless steel tube process was conducted through the finite element analysis of the three-dimensional thermo-mechanical coupled elastic-plastic by applying the MSC.MARC software. Based on the numerical simulation, the character of stress, strain and temperature distribution parameters during the two roll cross-rolling were obtained by the finite element analysis, and acquired the section pass deformation figure. The distribution of the axial stress, circle stress and radial stress were drawn in the cross-rolling roll gap profile along the circle. The mechanism of tube cross-rolling process was explained according to the stress distribution. The results of the research can be applied to the design of the cross-rolling forming process.

double metal composite seamless steel tube; cross-rolling; finite element method; thermo-mechanical coupling; numerical simulation

2014-10-05；

2014-11-11

國家自然科學(xué)基金項目(50975205) ；天津市科技發(fā)展計劃項目(12ZCZDGX00600)

田倩倩 (1984-)，女，碩士研究生，研究方向：固體力學(xué)數(shù)值方法及其應(yīng)用。

TG335.7

A

1001-196X(2015)01-0063-05