石油管的有限元力學分析

2013-06-09 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

采用彈塑性理論建立了石油管與模具的力學分析模型,動態模擬了石油管的整個拔制過程,得到了拔制力的動態變化過程,研究了模錐角、摩擦系數、壁厚等工藝參數對拔制力的影響。本文所建立的拔制力分析模型經與實驗結果比較,達到了較好的吻合,可為優化模具結構和進行拔制工藝設計提供依據。

空拔鋼管過程由于能夠有效靈活的縮減石油管的直徑,獲得所需的石油管直徑和壁厚及機械性能,因而在實際生產中被廣泛應用。生產實踐表明石油管拔制過程中的拔制力受模具和拔制工藝參數的影響,是影響產品質量和設備使用的重要參數。目前,由于缺乏對石油管拔制加工微觀機理的解釋,從而影響了石油管拔制力的定量描述,導致以實驗分析為主的研究成果一直用于指導工業生產。為此,本文采用彈塑性力學方法,建立較為準確的計算模型,用數值模擬方法分析石油管的拔制變形過程,得到模具和拉拔工藝參數對拔制力的影響,為優化模具和拔管工藝設計提供理論依據。

    1 力學模型的建立

    1.1 石油管空拔的基本原理

石油管空拔的變形區可分為減徑區和定徑區兩部分,如圖1所示。隨著拔制過程的進行,拔模和套管相互接觸,使石油管在軸向伸長的同時產生徑向收縮。進入定徑區后,石油管不再受壓縮,而是進行彈性恢復,所以仍然受壓應力和切向摩擦力作用。在拔制過程中,既存在接觸非線性,又存在幾何非線性和邊界非線性,是一個多重非線性相互耦合的問題。因此,模擬過程一定要對各種非線性加以考慮。

石油管的有限元力學分析+項目圖片圖片1

用虛功原理建立單元剛度的修正拉格朗日方程。

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石油管的有限元力學分析+項目圖片圖片3

    1.2 石油管空拔的有限元模型

石油管和模具幾何上是繞同一軸線的回轉體,選用具有顯式分析功能的Solid164單元對實體模型劃分網格,可以得到較為規則的網格分布,由對稱性原則分網后的石油管和模具的有限元模型如圖2所示。為提高計算精度,按照彈塑性體處理模具,石油管與模具的接觸類型設置為面面接觸。為達到計算的收斂性,加載方式選擇為在套管端面上施加一段位移來代替實際的拔制力,通過位移與時間的匹配來實現拔制速度的設定,并限制模具的平移和轉動。用實驗測定的石油管材料應力-應變曲線如圖3所示。

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    2 石油管空拔的拔制力計算

取一段材料為28CrMo47V的石油管。石油管拔制前的尺寸為30mm×3mm,其的彈性模量為1.856×105 MPa,泊松比為0.3,石油管與模具內壁之間的摩擦系數為0.1。模具的定徑帶直徑25mm、寬3mm、模具的外徑65mm、寬25mm、模錐半角α=12°,彈性模量和泊松比與石油管相同。

    有限元計算的拔制力為:F=58842(N)

    通過計算可得,拔制力隨拔制過程的變化情況如圖4所示,可將拔制力的變化分為3個階段:

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    1)起始階段。隨著套管逐漸與模具發生接觸,拔制力逐漸增大,對應圖4中曲線開始時的拔制力隨時間快速增大的區段。

    2)流動階段。在套管與模具基本上完全接觸后,金屬進入一種非穩態的流動階段,此時由于金屬流動,拔制力迅速減小,同時由于流動方向的不確定性,拔制力快速變化,對應圖4中曲線的抖動區段。

    3)穩定階段。隨著拔制過程的深入,金屬的流動漸趨穩定,拔制力不再發生變化,對應圖4中曲線的平直區段。

    3 拔制工藝參數對拔制力的影響

    3.1 模錐角對拔制力的影響

當模錐角α增加時,一是變形區長度減小,摩擦面減小,導致正壓力及相應的摩擦力減小,使拔制力降低;二是正壓力水平方向的分力增加,同時套管在拔制入口處的附加彎曲變形的程度加大,導致拔制力增加。一般,當α角度比較小時,第一因素所起的作用是主要的,而當α增大到一定之后,第二因素起主要作用。理論計算和實驗都表明,存在一個拔制力最小的角度范圍。圖5是在計算了不同模錐角α與拔制力關系的基礎上描繪的曲線,可以看到,模錐角α=11.8°時的拔制力是最小的。該結論為模具結構參數設計提供了依據。

    3.2 摩擦系數對拔制力的影響

圖6為摩擦系數與拔制力之間的關系,隨著摩擦系數的增加,拔制力線性增大,因此在實際生產過程中有必要通過提高模具內錐面的加工質量、采取可靠的潤滑等措施,來減小摩擦系數,以降低拔制力。

    3.3 石油管壁厚對拔制力的影響

圖7所示為石油管壁厚變化對拔制力的影響,可以看出在相同的條件下改變壁厚,拔制力線性增大。實測值與理論計算曲線相比較,變化趨勢相同,誤差在12.2%以內,達到了較好的吻合。可為冷拔設備功率計算提供較為可靠的依據。

    4 結論

1)本文建立了石油管空拔的拔制力計算模型,經實驗證實,理論計算值與實測值較好地吻合,可以用于工程計算。

2)本文用有限元方法模擬了石油管的空拔過程,研究了模錐角、摩擦系數和壁厚等工藝參數對拔制力的影響,為模具結構設計以及冷拔設備的功率計算提供了較為可靠的理論依據。