石油管的有限元力學(xué)分析

2013-06-09 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)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(xué)分析模型,動(dòng)態(tài)模擬了石油管的整個(gè)拔制過程,得到了拔制力的動(dòng)態(tài)變化過程,研究了模錐角、摩擦系數(shù)、壁厚等工藝參數(shù)對(duì)拔制力的影響。本文所建立的拔制力分析模型經(jīng)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較,達(dá)到了較好的吻合,可為優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和進(jìn)行拔制工藝設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

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(jī)械性能,因而在實(shí)際生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。生產(chǎn)實(shí)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(shù)的影響,是影響產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備使用的重要參數(shù)。目前,由于缺乏對(duì)石油管拔制加工微觀機(jī)理的解釋,從而影響了石油管拔制力的定量描述,導(dǎo)致以實(shí)驗(yàn)分析為主的研究成果一直用于指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)。為此,本文采用彈塑性力學(xué)方法,建立較為準(zhǔn)確的計(jì)算模型,用數(shù)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(shù)對(duì)拔制力的影響,為優(yōu)化模具和拔管工藝設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

    1 力學(xué)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(qū)可分為減徑區(qū)和定徑區(qū)兩部分,如圖1所示。隨著拔制過程的進(jìn)行,拔模和套管相互接觸,使石油管在軸向伸長(zhǎng)的同時(shí)產(chǎn)生徑向收縮。進(jìn)入定徑區(qū)后,石油管不再受壓縮,而是進(jìn)行彈性恢復(fù),所以仍然受壓應(yīng)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(gè)多重非線性相互耦合的問題。因此,模擬過程一定要對(duì)各種非線性加以考慮。

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    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(zhuǎn)體,選用具有顯式分析功能的Solid164單元對(duì)實(shí)體模型劃分網(wǎng)格,可以得到較為規(guī)則的網(wǎng)格分布,由對(duì)稱性原則分網(wǎng)后的石油管和模具的有限元模型如圖2所示。為提高計(jì)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(shè)置為面面接觸。為達(dá)到計(jì)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(shí)際的拔制力,通過位移與時(shí)間的匹配來實(shí)現(xiàn)拔制速度的設(shè)定,并限制模具的平移和轉(zhuǎn)動(dòng)。用實(shí)驗(yàn)測(cè)定的石油管材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

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    2 石油管空拔的拔制力計(jì)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(nèi)壁之間的摩擦系數(shù)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(jì)算的拔制力為:F=58842(N)

    通過計(jì)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(gè)階段:

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    1)起始階段。隨著套管逐漸與模具發(fā)生接觸,拔制力逐漸增大,對(duì)應(yīng)圖4中曲線開始時(shí)的拔制力隨時(shí)間快速增大的區(qū)段。

    2)流動(dòng)階段。在套管與模具基本上完全接觸后,金屬進(jìn)入一種非穩(wěn)態(tài)的流動(dòng)階段,此時(shí)由于金屬流動(dòng),拔制力迅速減小,同時(shí)由于流動(dòng)方向的不確定性,拔制力快速變化,對(duì)應(yīng)圖4中曲線的抖動(dòng)區(qū)段。

    3)穩(wěn)定階段。隨著拔制過程的深入,金屬的流動(dòng)漸趨穩(wěn)定,拔制力不再發(fā)生變化,對(duì)應(yīng)圖4中曲線的平直區(qū)段。

    3 拔制工藝參數(shù)對(duì)拔制力的影響

    3.1 模錐角對(duì)拔制力的影響

當(dāng)模錐角α增加時(shí),一是變形區(qū)長(zhǎng)度減小,摩擦面減小,導(dǎo)致正壓力及相應(yīng)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(shí)套管在拔制入口處的附加彎曲變形的程度加大,導(dǎo)致拔制力增加。一般,當(dāng)α角度比較小時(shí),第一因素所起的作用是主要的,而當(dāng)α增大到一定之后,第二因素起主要作用。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)都表明,存在一個(gè)拔制力最小的角度范圍。圖5是在計(jì)算了不同模錐角α與拔制力關(guān)系的基礎(chǔ)上描繪的曲線,可以看到,模錐角α=11.8°時(shí)的拔制力是最小的。該結(jié)論為模具結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

    3.2 摩擦系數(shù)對(duì)拔制力的影響

圖6為摩擦系數(shù)與拔制力之間的關(guān)系,隨著摩擦系數(shù)的增加,拔制力線性增大,因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中有必要通過提高模具內(nèi)錐面的加工質(zhì)量、采取可靠的潤(rùn)滑等措施,來減小摩擦系數(shù),以降低拔制力。

    3.3 石油管壁厚對(duì)拔制力的影響

圖7所示為石油管壁厚變化對(duì)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(shí)測(cè)值與理論計(jì)算曲線相比較,變化趨勢(shì)相同,誤差在12.2%以內(nèi),達(dá)到了較好的吻合?？蔀槔浒卧O(shè)備功率計(jì)算提供較為可靠的依據(jù)。

    4 結(jié)論

1)本文建立了石油管空拔的拔制力計(jì)算模型,經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí),理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較好地吻合,可以用于工程計(jì)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(shù)和壁厚等工藝參數(shù)對(duì)拔制力的影響,為模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及冷拔設(shè)備的功率計(jì)算提供了較為可靠的理論依據(jù)。