大口径厚壁管感应加热弯曲成形有限元模拟研究

摘要

感应加热弯曲工艺是制造高性能弯管的先进成形技术，广泛应用于油气管线、建筑结构以及机械设备等领域弯管的制造。然而，在弯曲过程中，管壁容易出现内弧侧起皱、外弧侧减薄及径向截面畸变等缺陷，如何控制和提高大口径厚壁弯管的成形质量成为具有挑战性的难题。同时，大口径厚壁感应加热弯曲成形是一个集几何、物理和边界三重非线性为一体的复杂成形过程，具有多物理场耦合、非稳态、多参数和非等温等变形特征，单纯采用理论分析、试验方法和有限元模拟都难以实现对该过程准确全面的研究。为此，本文采用有限元模拟方法为主，实验与理论方法为辅的研究方式，以Φ600×10.86mm X60厚壁管为研究对象，对大口径厚壁管感应加热弯曲成形过程进行了系统深入的研究，主要研究内容及结果如下： 基于COMSOL Multiphysics软件，建立了管材感应加热弯曲成形的三维有限元模型，解决了“电磁-热”与“热-力”耦合、边界条件处理以及网格划分等建模关键问题，避免了空气域边界造成的电磁反射波对感应加热的影响，实现了管坯在稳定的电磁感应加热条件下的弯曲过程，并通过实验对有限元模型的可靠性进行了验证，模拟和实验结果吻合较好。针对X60级管线钢材料进行了热模拟实验，得到不同温度下材料的应力-应变关系。 基于所建立的有限元模型，分析了大口径厚壁感应加热弯曲过程中的变形行为。发现：在弯矩作用下，管壁内表面与外表面之间沿圆周方向出现应力中性层；变形区周向塑性应变非常小，变形主要产生在径向和轴向，而随着管壁推出变形区，其周向塑性应变随弯曲的进行有所增大，其余两方向的塑性应变基本不发生变化；弯管头部椭圆度大于尾部，椭圆度最大值位于弯管中部与尾部之间。 探明了大口径厚壁感应加热弯曲过程中关键工艺参数对弯管成形质量的影响规律，发现：当弯曲半径为2D0时，弯管内弧侧出现起皱现象；弯曲半径增大，弯管椭圆度、壁厚变化率均减小；随着感应线圈宽度增大，弯管椭圆度、壁厚变化率均减小，但当线圈宽度增大到82mm时，弯管内侧管壁开始产生起皱现象；感应加热区温度降低，管壁厚度产生明显变化，同时椭圆度增大；当感应加热区温度为851℃-905℃时，管壁内侧开始发生起皱现象；推进速度增大，弯管椭圆度增大，变形均匀性变差，而壁厚变化率减小；当推进速度为54mm/min时，弯管内侧明显起皱，同时弯管中部产生明显的塌陷现象。 选取成形过程中最为关键的三个工艺参数作为设计变量进行正交试验分析。试验发现：弯曲半径对椭圆度、内弧侧增厚率和外弧侧减薄率的影响都较显著；加热宽度对椭圆度有显著影响；推进速度对这三个指标都无显著影响。综合考虑大口径厚壁感应加热弯管的椭圆度和壁厚变化率，确定优选工艺参数组合为：加热宽度为60mm，推进速度为40mm/min，弯曲半径为3.5D0。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 管材弯曲加工方法及其特点

1.3 管材感应加热弯曲成形技术简介

1.4 管材弯曲成形的国内外研究现状

1.5 本文的研究背景及意义

1.6 本文主要研究内容与思路

第二章 感应加热理论及管材弯曲力学基础

2.1感应加热的数学模型

2.2 管材感应加热弯曲的受力分析

2.3 本章小结

第三章 管材感应加热弯曲成形有限元模型建立

3.1 引言

3.2COMSOL Multiphysics软件介绍

3.3 管材感应加热弯曲三维有限元模型的建立

3.4 本模型的特点

3.5 模型有效性验证

3.6 本章小结

第四章 大口径厚壁管感应加热弯曲成形过程的变形行为

4.1 引言

4.2 感应加热弯管的温度分布规律

4.3 感应加热弯管应力分布

4.4 感应加热弯管应变分布规律

4.5 感应加热弯管壁厚变化规律

4.6 感应加热弯管椭圆度变化规律

4.7 本章小结

第五章 成形参数对感应加热弯管变形行为的影响

5.1 引言

5.2 弯曲半径对弯管变形行为的影响

5.3 感应线圈宽度对弯管变形行为的影响

5.4 感应加热区温度对弯管变形行为的影响

5.5 推进速度对弯管变形行为的影响

5.6 夹头初始角度对弯管变形行为的影响

5.7 本章小结

第六章 基于正交试验的弯管成形参数的优化设计

6.1 引言

6.2 优化变量的选取

6.3 正交试验设计与数据分析

6.4 正交试验方差分析

6.5 工艺参数优化分析

6.6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢