胡 洪，王建國，杜學(xué)斌，徐能惠，邵國棟

（1.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710032；2.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032）

管端加厚機機架有限元數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計

胡 洪1，2，王建國1，2，杜學(xué)斌1，2，徐能惠1，2，邵國棟1，2

（1.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710032；2.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032）

管端加厚機機架是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的焊接件，是主機的一個關(guān)鍵部件。建立了機架的數(shù)值模型并對其進行有限元計算。根據(jù)計算結(jié)果改進了機架結(jié)構(gòu)，改善了機架受力狀態(tài)，為進一步結(jié)構(gòu)設(shè)計積累了經(jīng)驗。

管端加厚機；機架；有限元數(shù)值模擬；優(yōu)化設(shè)計

鋼管管端加厚采用局部加熱水平鍛造成形的工藝方法，是將鋼管管端進行局部加熱采用外力使鋼管端部內(nèi)外徑發(fā)生變化，從而增加端部壁厚、增強鋼管端部強度的過程。管端加厚機是用于管端鐓粗成型的專用設(shè)備，從結(jié)構(gòu)上看管端加厚機相當(dāng)于一臺具有特殊結(jié)構(gòu)的水平鍛造液壓機，由一臺具有整體閉式框架的垂直液壓機和一臺水平液壓機有機組合而成。垂直液壓機用于鋼管的夾緊，水平液壓機用于對管端實施鐓鍛[1][2]。

主機機架是管端加厚機的關(guān)鍵部件，采用了整體焊接框架結(jié)構(gòu)。工作過程中機架同時承受夾緊力和加厚力，受力狀態(tài)比較復(fù)雜，對其受力狀態(tài)進行有限元模擬并對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，不僅可以保證機架的強度和剛度滿足加厚時的使用要求，而且為加厚機系列化設(shè)計提供理論依據(jù)。

本文對公稱夾緊力為500t的油管管端加厚主機機架進行建模，運用通用有限元軟件ABAQUS對其在夾緊和鐓粗狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進行數(shù)值模擬，并根據(jù)計算結(jié)果對機架的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化[3][4][5]。通過優(yōu)化改善了機架的受力狀態(tài)，也為進一步結(jié)構(gòu)設(shè)計積累了經(jīng)驗。

1 機架結(jié)構(gòu)

管端加厚機主機機架總體上是用鋼板焊接而成的矩形框架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。本框架結(jié)構(gòu)可以分為上、下梁和左、右立柱四個部分，上梁安裝有三個缸筒，主柱塞缸筒位于上梁中間位置，左右兩邊各設(shè)計有一個活塞缸缸筒。

圖1 管端加厚機機架

在鐓粗過程中，上下梁受一個柱塞缸和兩個活塞缸共同產(chǎn)生的垂直夾緊力的作用，左右梁受水平缸產(chǎn)生的鐓粗力的作用。

2 機架數(shù)值模擬條件分析

由于機架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，計算中首先用三維建模軟件SolidWorks建立機架三維模型，如圖2所示。將模型文件轉(zhuǎn)化為*.x＿t格式后導(dǎo)入到通用有限元軟件ABAQUS進行計算。

其中，鋼板材料為16Mn，缸筒材料為35鋼。計算中，以系統(tǒng)工作的最高壓力27MPa計算各部分施加于模型的載荷，最大夾緊力為5.99MN，最大鐓粗力為2.6MN。為了模擬結(jié)果的準確性，在計算中根據(jù)實際受力情況將這兩部分力以壓力的形式施加于模型各部分。

圖2 機架SolidWorks三維模型

主機機架受力狀態(tài)分為夾緊和鐓粗兩種狀態(tài)，為了使有限元模型的載荷施加更接近實際受力狀態(tài)，本文進行如圖3所示的夾緊狀態(tài)載荷施加和如圖4所示的鐓粗狀態(tài)載荷施加。

圖3 夾緊狀態(tài)施加的載荷

圖4 鐓粗狀態(tài)施加的載荷

綜合考慮模擬計算時間和計算結(jié)果準確性兩個因素，劃分網(wǎng)格時使用四節(jié)點四面體單元，網(wǎng)格不大于30mm。

由于機架受載荷時與地基的相互作用比較復(fù)雜，為了分析邊界條件對計算結(jié)果的影響，計算中對模型采用了兩種邊界，分別如圖5、圖6所示（分別稱為邊界條件M、N），邊界條件M中將機架底板與地基相接觸的部分全部固定約束，邊界條件N只將底板中間部分與地基相接觸部分固定約束。其中邊界條件N是考慮到機架發(fā)生變形較大時的極限情況，這時假想底板兩端變形太大向上翹起，與地基不接觸。

圖5 邊界條件（M）

圖6 邊界條件（N）

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

按上述加載條件和邊界條件對模型進行計算。圖7、圖8分別為機架在夾緊狀態(tài)和鐓粗狀態(tài)的等效應(yīng)力云圖（圖中超出80MPa部分用銀色顯示）。

由于鐓粗狀態(tài)時機架除了受到豎直方向的夾緊力之外，也有水平方向的鐓粗力使機架的受力區(qū)域更趨于均勻，改善了機架的變形。所以，盡管鐓粗狀態(tài)的受力情況比夾緊狀態(tài)更復(fù)雜，但機架卻是在夾緊狀態(tài)下應(yīng)力較大。因此，數(shù)值計算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化以夾緊狀態(tài)為分析依據(jù)。

機架的應(yīng)力較大處主要分布在如圖9所示的A、B、C點，因此計算結(jié)果中主要列出了這些點的夾緊狀態(tài)應(yīng)力值。

表1為機架在夾緊狀態(tài)時的應(yīng)力計算值。從表中可以看出，除了上梁中間的主柱塞缸筒應(yīng)力較大之外，B、C點的應(yīng)力也超過了80MPa。

柱塞缸缸筒內(nèi)表面的計算應(yīng)力為110MPa左右，但考慮到主柱塞缸筒的內(nèi)表面應(yīng)力較大是由于高壓油作用所致，而該鋼筒采用35號鋼鍛造而成，缸體材料的力學(xué)性能可以滿足使用要求。另外，可以看出，兩種邊界條件對計算結(jié)果的影響并不很大，結(jié)果相差2.9%左右，用邊界條件N是較為保守的計算結(jié)果。

圖7 夾緊狀態(tài)等效應(yīng)力云圖

圖8 鐓粗狀態(tài)等效應(yīng)力云圖

圖9 夾緊狀態(tài)下應(yīng)力集中點（邊界條件N）

表1 夾緊狀態(tài)時機架的應(yīng)力計算值/MPa

圖10所示為夾緊狀態(tài)的應(yīng)變云圖。其中，最大應(yīng)變點在柱塞缸缸筒上部，最大應(yīng)變?yōu)?.68mm，相對于機架的總體尺寸（長2820mm，高度3665mm）來說變形量很小，最大變形率為0.68/3665，在萬分之二左右，表明機架已經(jīng)具有較好的剛度。

圖10 夾緊狀態(tài)下應(yīng)變云圖（邊界條件N）

4 機架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)計算結(jié)果，從減小以上應(yīng)力集中區(qū)域的目標進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在圖11中所示的P和Q處圓角半徑由300mm增大至320mm，以期降低B、C兩處的應(yīng)力。

圖11 機架結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

對新的模型進行如前述相同的處理，計算結(jié)果如表2。從計算結(jié)果可以看出，B、C點的應(yīng)力峰值均有明顯降低。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的應(yīng)力結(jié)果滿足設(shè)計要求。

圖12為結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的應(yīng)變云圖，夾緊狀態(tài)下機架最大應(yīng)變位于柱塞缸缸筒上部，最大值為0.66mm，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的剛度滿足設(shè)計要求。

另外，由于機架中環(huán)形面板的面積較大，只能采用拼焊方法來設(shè)計制造，有限元分析結(jié)果可以作為設(shè)計中的參考，設(shè)計的焊縫位置要避開應(yīng)力較大區(qū)域。

表2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后機架的應(yīng)力計算值/MPa

圖12 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的應(yīng)變云圖（邊界條件N）

5 結(jié)論

通過對管端加厚機機架的有限元數(shù)值模擬，可以比較容易地得到機架在工作過程中的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題，進而根據(jù)計算結(jié)果對機架設(shè)計進行優(yōu)化，得到較好的設(shè)計結(jié)果。

[1]裴志強，權(quán)曉惠.石油鉆桿管端加厚工藝研究 [J].重型機械，2002，（4）：33-36.

[2]王振志，滿國祥，李曉暉，等.鉆桿加厚鍛造生產(chǎn)線的研發(fā)[J].地質(zhì)裝備，2008，（3）：18-23.

[3]王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[4]劉惟信.機械最優(yōu)化設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[5]高 翔，胡 淼.框式熱壓機機架有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].機械設(shè)計，2009，26（4）：62-64.

The finite element numerical simulation and optimized design for the frame of pipe end upsetting machine

HU Hong1,2,WANG Jianguo1,2,DU Xuebin1,2,XU Nenghui1,2,SHAO Guodong1,2
（1.State Key Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment Technology, Xi'an 710032,Shaanxi China; 2.China National Heavy Machinery Research Institute Co.,Ltd., Xi'an 710032,Shaanxi China）

The frame of pipe end upsetting machine is a welding part with complex structure,which is a key component of the main machine.The numerical model has been established to the frame and finite element calculation has been performed.The structure and force status of the frame have been improved according to the calculation result,which accumulates experiencesfor the further design of the structure.

Pipe end upsetting machine;Finite element numerical simulation;Optimized design

TG376.9

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.021

1672－0121（2016）04－0067－04

2016－02－26；

2016－04－17

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目（2014KTCL01－01）；中國重型機械研究院股份公司科研項目（K1305410）

胡 洪（1962－），男，高級工程師，從事重型鍛壓裝備及工藝研究。E－mail：huhong－erzhong＠sina.com