不锈钢焊管的国内外研究现状

不锈钢焊管属于辊式冷弯成型，与无缝钢管相比，具有设备投入小，钢管尺寸精度高的优点，是一种用途广泛的高效型材。不锈钢焊管成型是使带钢在横断面上不等曲率弯曲和纵向变形连续进行的综合过程。带钢在形成管子过程中的变形主要表现在连续的横向和纵向变形两个方面，横向变形的约束力通过轧辊的孔型来实施，纵向变形的约束则是靠机组机架的布置来实现。在整个变形过程中表现为横向连续弯曲的收缩过程，其中伴随部分回弹发生。因此其理论解析比较困难，目前还没有统一的数学模型，也没有完整的数值模拟研究工作。

目前，成型过程的分析方法主要分为五类，即整体几何分析法，实验法，能量法，有限元法和CAD法。

整体分析法。整体分析法是不考虑成型辊对带钢成型的局部影响，以成型区中的管坯整体为研究对象。它通过比较各种成型方法中管坯边缘的总体延伸来鉴别这些方法的优劣。

实验研究法。实验研究法就是对于所要求解的问题不同设置不同的实验装置。日本有九个工厂用厚度为1.8，2.3，2.4，3.6，3.8毫米的带钢焊接直径60.5毫米的钢管，下辊的调整分下山、上山和水平三种，并采用不同的孔型系统，不同的成型辊布置形式和不同的机架间距，由各厂分别进行试验。通过测量和计算，求出了钢管外表面的带钢变形量。

电阻应变片法在实验法测定中起到了很重要的作用。西德G.狄盖斯：用电测法研究了不锈钢焊管成型过程中的带钢变形，原苏联以及其他国家，普遍采用电阻应变片来测量成型过程中的纵向变形。电阻应变片法能精确地测量成型过程中的变形，具有灵敏度高、惯性小的优点，尤其是，这种方法能远距离测量多个点的变形。天津理工大学的温殿英等用应变片的方法在液压万能试验机上研究了成型区内金属的应变。但是电测法不能测量管坯与轧辊接触以后钢管的变形。

此外，加拿大Terry.r.walker等人还特意设计了模拟实验装置来研究电不锈钢焊管成型的轴向应变分布。

能量法。能量法是指通过建立含有若干待定系数的全能或全功率范函，然后对该能量或范函取极小化来确定这些参数，进而确定物体变形的分析方法。能量法最早是在1962年由r.9.古恩应用到物体变形分析中去的，他用能量方法分析了角材的连续弯曲。在确定板材成型变形状态方面，最初由r.A.斯米尔诺夫·阿拉耶夫和r.9.古恩提出来的。古恩在分析中作了一些简化假定：（1）管坯的横截面始终为平面并垂直于轧制轴线；（2）垂直于轧制轴线的每个断面上的中性面宽度不变并等于带钢的初始宽度。

通过联立拉格朗日坐标和欧拉坐标方程来确定主变形及变形强度、应力强度，进而计算内力的全部功，利用拉格朗日中值定理，并设外力功恒定，确定未知函数，最后求出内力功的极小值。

德国的慕尼黑大学开发了COPRA软件系统，该系统提供有友好界面，可用模拟技术分析和优化辊弯成形工艺。他们采用一个与实际变形非常相近的几何形状作为模拟的模型，为优化不同成型区域孔型的数学近似几何模型，采用了有限元的分析计算，但该文并未涉及数学模型。

美国的NitinDuggal采用日本学者木内学的形状函数方法并加以完善，开发了RFPS S（Roll Forming Profile Analysis and Simulation Software）软件。该软件在木内学理论膜应变的基础上加入了弯曲校正。

有限元法。关于FEM方法，目前很多国家的学者们正在做这方面的工作，并取得了一定的进展。

蔡松庆等人首次尝试用板壳弹塑性有限元法分析直缝不锈钢焊管成型过程，他们将成型区中的管坯看作是由一块平板在横向同时逐渐弯曲的结果。刘才、周瑛、韩志武等用有限条法研究了冷弯型钢的成型过程。

徐树成通过对冷弯成型进行分析，用弹塑性大变形有限元理论进行了模拟，通过改写EPFEP3有限元程序，并对现场进行连续辊弯的一、二次成型实验。叶金铎等人将轧辊简化为平面曲线，采用X样条有限条法研究了双半径不锈钢焊管第一架的成型过程，与实验结果进行了比较，研究中假设钢管的材料为理想塑性。

日本的小野田等人长期研究不锈钢焊管成型的有限元模拟问题。他们使用刚塑性有限元分别对不锈钢焊管管坯在开口孔型和闭口孔型中的变形进行研究，分别得到了管坯处于开口孔型和闭口孔型时的网格划分及边界条件。

美国Roll-kraft公司的Robert.J.Harstain，英国Aston大学的Milner以及加拿大Watertoo大学的Walker等人，他们使用商用大变形有限元软件包对冷弯成型进行分析，并将其应用于冷弯工具的设计。

Walker等人使用非线性有限元软件ABAQUS对直缝不锈钢焊管的成型应力、应变进行了分析，通过计算建立了预报不锈钢焊管成型过程的边缘失稳模型，并得到调整轧机参数的依据。

目前对不锈钢焊管成型过程的分析方法存在的问题有：

整体分析法由于它没有考虑局部影响，因此不能提供各个点的应变、应力等全方位的信息。实验研究法只能建立成型过程不完整的近似物理模型。古恩将平断面假说应用于连续弯曲的成型情况是不恰当的，按圣维南原理，平断面假设仅适用于远离外力作用、接触变形区内的应力波及不到的地方，其次，平断面导致了成型区不准确的纵向变形图，这种图是单值的，除带钢中央纤维外，全部纤维处于拉紧状态，拉伸变形从中央向边缘增加。木内学等人开发的数学模型采用一个参数n来定变形曲面，误差会加大。蔡松庆等人采用的有限元分析方法从实际结果看，管坯中的应变和管坯的构形比较接近实际情况，但应力及外载与实际情况相差甚远。刘才、周瑛、韩志武等用的有限条法仍属于有限元的范畴，是为了降低计算量而开发的，计算量降低了，其精度就会受到影响，他们在整个过程中采用了一些假设：单元的板壳划分；忽略了坯料沿轧制方向的运动，使整个过程改变成成型辊将坯料一步一步压下，直到成型为止；忽略了坯料内的剪应变；将坯料作为线性强化的弹塑性体；忽略了中性面的移动；忽略了接触区以外的变形；这样不能真实反映物体的成型过程，仅能够近似模拟整个变形过程，天津理工大学的胡建英建立了直缝不锈钢焊管成型过程的三维实体模型，模拟了轧辊的旋转运动，考虑了弹塑性大变形和接触非线性。

由于直缝不锈钢焊管成型过程理论上属于弹塑性大变形和接触非线性多重非线性耦合问题，虽然弹塑性大变形和接触非线性有限元算法和软件已经基本完善，但如果精确地建立轧辊和带钢模型，模拟整个轧制过程会使单元数量和计算量急剧增加。不锈钢焊管成型属于多道轧制，如果分道模拟轧制过程，虽然可以降低计算规模，但是因为前道和后道的变形不仅相互依赖相互影响，还伴随弹性释放，因此分道模拟和连续模拟结果还有区别。总之，在现有的计算机软硬件条件下，对不锈钢焊管成型过程的模拟不仅计算量大，计算难度也很大。多道轧制中存在的另一个问题是立辊孔型设计没有依据，导致立辊贴模效果差。