双金属复合管多斜辊矫直工艺数值模拟研究

摘要

随着现代科学技术的发展，石油、化工、地质勘探等极端的条件，对金属管的要求越来越高，不仅要求高强度，还要求高的耐温性能及良好的耐腐蚀性能等。双相不锈钢以及各种合金虽然能部分满足上述条件，但含有稀有金属，价格昂贵。而双金属复合管恰好能满足这些要求，应用范围更为广泛。目前复合管材的生产方法主要有机械复合，离心铸造，焊接复合等，其产品都不可避免地存在纵向弯曲和截面的椭圆度缺陷，不得不通过矫直工序来保证复合管终态产品的形状精度。目前，我国在钢管多斜辊矫直工艺理论研究及其工业应用领域，已取得了诸多令人瞩目的进展。然而，双金属层状复合管在壁厚方向上由两种力学性能截然不同的材料构成，弹塑性弯曲变形行为与单金属管材存在差异，传统的矫直理论是否仍然适用于双金属层状复合管，复合管组元接触界面在反复弯曲过程中是否存在撕裂破坏风险，这些都有待于进一步研究。因此，本文以双金属复合管多斜辊矫直过程为对象，开展工艺理论及数值仿真模拟研究。
　　为分析弯曲变形条件下复合管壁厚方向应力应变分布规律，以组元弹性差异明显的Q235/TC4复合管为对象，利用有限元分析软件MSC.MARC，选取单个矫直单元进行弹塑性弯曲分析，给出了内外复合层材料及层厚比对管壁厚度方向应力应变分布的影响。并以此为基础，通过简化条件，推导了管材的弯曲模型及中性层偏移量解析计算模型。以传统矫直理论为基础，结合复合管矫直弹塑性弯曲特点，进行矫直辊辊型设计，压弯量、压扁量和倾斜角等工艺参数计算，并将组元屈服强度的加权值作为复合管综合屈服强度，计算了复合管矫直力和矫直力矩。
　　利用非线性有限元方法，建立了双金属层状复合管的十辊斜辊矫直模型，分别构造具有原始椭圆度和弯曲度缺陷的复合管几何模型，模拟规格为Φ75×10×1000mm的复合管（Q235+TC4,层厚比分别为4:1和1:4）冷矫过程，分析了椭圆度和弯曲度缺陷的矫直效果，矫直过程中的应力、应变规律，以及矫直力的分布。并通过提取复合层界面的剪切变形，结合现有复合工艺所能达到的界面结合强度，评估了复合界面在矫直反复弯曲过程中重新开裂的可能性。仿真模拟结果表明：单金属管材弯曲理论不再适用于双金属复合管；管材弯曲发生了中性层的偏移；复合管材强度高的外层缺陷得到了消除，对强度低的内层没有矫直作用；现有的模拟结果显示，矫直不足以撕裂复合界面。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 复合管生产工艺概述

1.3 复合管弹塑性变形研究方法概述

1.4 斜辊矫直技术及其在双金属复合管矫直中的应用

1.5 课题的提出及主要研究内容

第2章 复合管矫直单元的弯曲过程数值仿真与分析

2.1 基于本构方程的双金属复合管弯曲解析理论

2.2 复合管弯曲单元建模

2.3 应力应变分析

2.4 有关中性层偏移量的计算

2.5 本章小结

第3章 斜辊矫直机的参数计算

3.1 结构参数计算

3.2 工艺参数的确定

3.3 本章小结

第4章 双金属复合管冷矫工艺过程数值仿真

4.1 标准钢管的冷矫过程仿真

4.2 椭圆度缺陷的冷矫过程仿真分析

4.3 弯曲度缺陷冷矫过程仿真分析

4.4 复合层界面的剪切变形分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

致谢