不锈钢焊管辊弯成形动力学仿真研究

基于显式动力学算法，建立了不锈钢焊管成形过程的弹塑性有限元模型，采用大型非线性有限元软件ABAQUS对不锈钢焊管辊弯成形过程进行了模拟仿真。分析了成形过程中带纲的应力、应变的变化规律以及机架间距对成型质量的影响。研究结果表明，整个成型过程应力变化平缓，带钢边缘应变小于中部应变；随着机架间距的增大，带钢边缘的纵向应变相应减小。

不锈钢焊管生产一般采用辊弯成形的工艺方法，该方法是板带全长依次通过多个不同的孔型，局部逐步弯曲变形，全断面形状逐步接近成品断面形状，最终得到全长均一截面产品的塑性加工方法。随着我国近年来对能源和环保问题的高度重视，不锈钢焊管由于其设备投入较小、能源消耗低、尺寸精度高等优势，在各个领域得到了越来越广泛的应用。

辊弯成形过程比较复杂，具有明显的几何非线性、物理非线性和边界条件非线性的特征，成型规律难以把握控制3。传统的焊管生产设计过程根据经验采用试错法，设计周期长，产品质量难以有效控制，不仅造成人力物力的浪费，而且难以适应市场需求的变化。随着现代计算方法和计算工具的飞速发展，CAD.CAE和数据库技术在不锈钢焊管工艺设计和分析中得到较为广泛的应用。对不锈钢焊管的成形过程进行设计分析，以获得辊弯成形规律，有效地控制和提高焊管质量。为此国内外众多学者对辊弯成形工艺进行了研究。Brunet等人首先采用基于平面应变壳单元的二维弹塑性有限元方法计算板带在轧辊处的截面弯曲变形，然后以计算后得到的轧辊处的板带截面形状作为三维有限元分析的边界条件，采用隐式算法计算两个轧辊间的板带形状以及应变分布。牛洪军等人运用商业有限元软件ANSYS对双半径辊形下不锈钢焊管传统生。

产工艺中第一架成形辊中的成形过程进行了非线性有限元数值模拟，得出了带材上的应力应变分布规律。于正安和王仕杰等人通过采用大型非线性隐式有限元软件Marc对焊管的排辊成形过程进行了模拟，获得了板带各机架截面处和沿板带纵向的等效应力分布规律，为孔型设计和工艺参数调整提供了一定理论依据6本文基于动力学显式算法，采用有限元软件ABAQUS对480mm不锈钢焊管的辊弯成形过程进行模拟仿真，研究了成形过程中带钢的应力、应变变化以及分布规律，分析了机架间距对带钢成形的影响，为辊弯成形工艺改良提供理论依据。

1辊弯成形过程模拟

1.1几何模型的建立

在进行动力学仿真之前，需要对不锈钢焊管辊弯成形机组进行CAD建模，并着重分析带钢的成形过程，故只针对轧辊与带钢进行建模，不考虑成形机组的机架。成形花型图是辊弯成形过程中不同成形位置下带坯截面形状的排列，反映成形过程中带钢的渐近弯曲过程，是生产机组中所有成形轧辊的辊形参数和辊位参数设计的前提依据。针对80mm不锈钢焊管采用边缘弯曲成形法设计出花形图，如图1所示。

1.2材料性质

不锈钢焊管的材料种类较多，常见的有Q235.X80，J55等，现选用的材料为Q235，Q是钢管中一种常用的碳素机构钢，其材料属性如表2所示，应力应变曲线如图3。

成形轧辊材料选用Cr12Mov，通过调制处理后的硬度在58-62HRC，密度（p）为7.9x 10"V/mm'弹性模量（E）为214 GPa，泊松比（v）为0.3，考虑到实际生产过程中，通常成形轧辊的变形量非常小，相对于带钢的变形可以忽略不it。由于显示动力学分析占用计算机CPU内存较大，耗时长，因此将成形轧辊简化为刚体既可以节省时间又不会影响带钢的成形质量，是一种可行的方案。

1.3网格划分

通常认为如果单一材料制造的各向同性壳体的厚度和跨度之比大于1/15属于厚壳问题，如果比值小于1/15则属于薄壳问题。带钢选用S4R单元，这是一种4节点四边形、沙漏控制的减缩积分通用壳单元，适用范围广能够满足一般的精度要求，计算效率较高。成形轧辊选用C3D8R单元，这是一种8节点三维实体单元，位移计算结果较为精确，计算耗时较短。

利用具有的强大的有限元网格划分前处理功能的专业软件Hypermesh对成形轧辊和带钢进行网格划分，网格划分后得到成形辊的75 237个节点和63 774个单元，带钢的5593个节点和5333个单元，网格划分如图4、图5所示。

1.4边界条件及约束载荷

根据成形过程的实际情况和成形原理，对有限元仿真的边界情况做以下的简化处理：

1）刚性成形轧辊以恒定的角速度绕各自的中心轴做定轴转动；

2）带钢以恒定的初始速度向成形方向平动；

3）当带钢进入第一组成形机组后，依靠成形轧辊和带钢之间的摩擦力带动带钢继续运动；

4）前2个道次下辊作为主动辊，上辊作为被动辊；后续道次的下辊和侧辊作为主动辊，上辊作为被动辊；

5）主动辊的角速度保证带钢的运动速度。成形轧辊被定义为刚体，ABAQUS中的create con-straint功能将每个刚体上所有节点的自由度都隅合到其质心上。根据上述的边界条件，上辊除去绕x轴旋转自由度不施加约束，其余的5个自由度都为0。给下辊施加绕x轴旋转的角速度（大小以保证带钢运动速度为准），其余的5个自由度为0，对于每个侧辊建立局部坐标系，旋转轴为：轴，施加一定大小的角速度，其余的5个自由度为0，考虑到计算时间等因素，在不影响产品成形质量的前提下，设定带钢初速度为5m/s，方向为y轴负方向。

1.5接触的定义

轧辊与带钢之间的摩擦采用从静态摩擦到动态摩擦的指数衰减模型，静摩擦系数取0.2，动摩擦系数取0.15，衰减指数取1.5，在ABAQUS中，轧辊与带钢之间的接触类型定义surface-to-surface contact（Explicit），first surface选择轧辊表面，second surface选择带钢与轧辊的接触面，该有限元模型共有36个接触对。

2仿真结果分析讨论

通过上述的动力学仿真，可以得到带钢各个变形阶段的等效应力、等效塑性应变，便于掌握带钢在成形过程中的变形规律。

2.1带钢的等效应力分布

带钢在各个道次下的等效应力云图分别如图6-图10所示。

带钢在经过第一、第二道次时，成形方式是挤压弯曲变形，带钢的成形形状直接由成形辊表面的形状所决定，成形辊对带钢有着较强的约束。如图6所示，带钢与上辊接触部分应力较大，最大等效应力出现在带钢与轧辊接触的边缘位置。带钢在经过之后的排辊成型段时，带钢只由两侧排辊和内成型轧辊所约束，处于一种自由弯曲状态。如图7-图10所示，在排辊成形段带钢边缘应力较小，最大应力出现在带钢中部。

如图11所示，带钢在前2个道次成形时，沿带钢横向截面的等效应力由带钢中部到边缘呈逐渐增大的趋势，边缘处的应力值达到了材料的屈服极限，中部应力值较小。如图12、图13所示，带钢在经过后续排辊成形道次时，成形原理发生变化，沿带钢横向截面的等效应力由带钢中部到边缘逐渐减小，带钢中部的应力值较大，变形较为充分。

2.2带钢的等效塑性应变

带钢在通过道次1、道次2时沿横向截面的等效塑性应变如图14所示：带钢在通过道次1、道次2时，沿带钢横截面的等效塑性应变呈现由中部到边缘先减小后增大的趋势。带钢在通过道次1时，带钢中部和边缘的等效塑性应变达到0.06，截面横坐标40 mm~90mm区域内带钢的等效塑性应变小于0.02，基本属于弹性变形阶段；带钢通过道次2时，中部和边缘的等效塑性应变增大到0.075左右，并且弹性变形区域减少。

带钢在通过道次3-6、道次7-10时沿横向截面的等效塑性应变如图15、图16所示：此时带钢边缘的等效塑性应变明显小于带钢中部的应变，说明排辊对带钢边缘产生的塑性变形比较小，上辊和下辊对带钢中部产生了较大在辊弯成形过程中，当带钢边缘所受到的纵向拉伸大于其余部分时，在带钢边缘容易产生鼓包和边浪等成形缺陷，并且会影响到焊接质量，造成虚焊、漏焊等焊接缺陷19，影响最终成品的质量，这就使得对成形过程中带钢纵向应变的分析变得很有必要。不锈钢焊管辊弯成形过程中带钢中部和边缘的纵向应变分布如图17所示，在成形过程中带钢中部的纵向应变值非常小，均小于0.01，属于弹性变形的范畴；在带钢通过道次1、道次2时，边缘的纵向应变值较大，发生了较大的纵向变形，属于塑性变形范畴；当带钢通过后续排辊成形道次时，纵向应变减小，基本稳定在0.005左右，属于弹性变形范畴。因此，在整个成形过程中，挤压成型的道次1和道次2是最容易出现鼓包和边浪缺陷的位置。

3机架间距的影响

在成形道次数、带钢厚度等成形参数不变的条件下，分别对机架距离为300 mm、400 mm，500 mm 3种情况的辊弯成形过程进行显示动力学有限元仿真，得到3种情况下带钢边缘的纵向应变与纵向位置的关系曲线，如图18所示。

由图18可知，随着机架间距的增大，带钢边缘的纵向应变会随之减小。机架间距的增大有利于减小带钢边缘的纵向应变，但会增大前一道次与后一道次之间带钢的回弹。而且机架间距的增大会增大整条生产线的长度，增加生产成本。若机架间距过小，前一道次带钢的成形会受到后一道次的影响，带钢容易发生褶皱弯曲，影响成形质量。

4结语

1）基于显示动力学有限元算法，对管径中80 mm的不锈钢焊管辊弯成形过程进行了仿真模拟，得到了带钢的应力云图、等效塑性应变云图，从横向等效应力、横向等效塑性应变、带钢边缘和中心的纵向应变多个角度分析了带钢在成形过程中的变形特点。

2）从模拟结果可以看出，带钢在经过排辊成形道次时边缘的等效塑性应变较挤压成形道次有明显的减小，避免了带钢边缘出现鼓包和边浪等缺陷，有利于提高焊管的成形质量。

3）通过对3种不同机架间距下辊弯成形过程的仿真，发现机架间距是影响焊管成形质量的重要因素：带钢边缘的纵向应变会随着机架间距的增大而减小。有利于辊弯成形工艺的设计与优化。