半浮芯棒连轧管成型的有限元分析及轧辊孔型改进

摘要

无缝钢管在工业生产中被广泛应用于管道输送、热工设备、机械制造、石油地质钻探、化学高压容器等。在无缝钢管的热轧工艺中,钢管的产品质量与轧机设备密切相关,其中半浮芯棒连轧管工艺是钢管成形的重要工序。因此合理确定其轧制参数是设计和生产中都有待解决的关键问题,也是当前的研究热点。本文围绕着“连轧管机孔型改进”进行了以下研究工作：
　　 ⑴阐述了钢管连轧理论,以半浮芯棒连轧管的工艺流程和轧制过程为基础,对连轧管机孔型的设计方法进行介绍。
　　 ⑵为了更真实的对钢管材料进行模拟,设计了高温力学试验,研究了钢管用20＃钢在不同温度和形变速率下的σ-ε曲线。在此基础上,采用MATLAB软件建立了20＃钢在高温下的粘弹-塑性模型本构关系。分析表明,该本构方程在试验的温度和形变速率条件下具有较好的效果。
　　 ⑶在ANSYS/LS-DYNA软件环境下建立了6机架半浮芯棒连轧管成型过程的三维热固耦合有限元模型,并针对Φ109mm×6mm规格进行了模拟分析。通过对比模拟结果与荒管实物知,两者孔型形状在一个圆周内的变化规律相似。验证了该模型的可靠性和该分析方法的可行性。
　　 ⑷分析指出了荒管形状不规则的主要因为是：孔型和轧件形状不相吻合而导致接触的非同时性,使接触边界具有空间曲线(非平面性)的特点间接导致了荒管外径分布不均；孔顶区和侧壁区摩擦力分布的方向相反间接导致了荒管壁厚分布不均。通过改进调整偏心距和轧辊辊缝,荒管形状得到了明显改善。数据表明,外径与目标值109mm的平均相对误差由1.680％降到了0.861％；壁厚与目标值6mm的平均相对误差由3.569％降到了2.722％。

目录

文摘

英文文摘

符号说明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 连轧管工艺概述

1.2.1 连轧技术的发展

1.2.2 连轧技术特征

1.3 半浮芯棒连轧管工艺的现状与发展

1.4 本文的主要内容及课题的来源

第二章 钢管连轧理论分析

2.1 圆孔型轧管的几何学特征

2.1.1 圆孔型轧管几何变形区的构成因素

2.1.2 圆孔型中管材的几何变形特征

2.1.3 圆孔型轧管的咬入条件

2.2 钢管连轧的运动学现象

2.3 钢管连轧的金属流动

2.3.1 轧制过程变形区力学图示

2.3.2 圆孔型芯棒轧管的金属流动

2.4 本章小结

第三章 连轧管工艺流程分析及孔型设计

3.1 半浮芯棒连轧管的工艺流程

3.2 半浮芯棒连轧管的轧制过程

3.3 连轧管机的孔型设计

3.3.1 孔型设计的任务

3.3.2 轧辊孔型设计

3.4 本章小结

第四章 材料力学性能的测定及本构方程的确立

4.1 高温力学试验

4.1.1 试验目的

4.1.2 试验原理

4.1.3 仪器与试件

4.1.4 试验步骤

4.1.5 试验数据处理

4.2 材料本构方程的确立

4.2.1 材料热变形本构关系的分类

4.2.2 材料本构方程的选择与确立

4.3 本章小结

第五章 连轧管成型的有限元模拟及孔型改进

5.1 有限元理论在连轧管成型过程中的应用

5.1.1 固体热传导问题

5.1.2 热力耦合问题计算方法

5.1.3 单元计算的单点高斯积分与沙漏控制

5.2 有限元分析模型的建立

5.2.1 基本假设条件

5.2.2 几何模型的建立

5.2.3 材料属性

5.2.4 网格划分

5.2.5 质量缩放

5.2.6 摩擦与接触设置

5.2.7 传热问题处理

5.3 求解结果后处理与讨论

5.3.1 模拟结果与实物对比试验

5.3.2 连轧管成型过程钢管应力及形变变化

5.3.3 连轧管成型过程轧制力和芯棒轴力变化

5.3.4 钢管横截面温度分布情况

5.4 孔型改进分析及设计

5.4.1 荒管外径壁厚不均分析

5.4.2 孔型改进策略

5.4.3 改进模拟结果

5.5 本章小结

第六章 结论及意义

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要的研究成果