石油管的有限元力学分析

2013-06-09 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

采用弹塑性理论建立了石油管与模具的力学分析模型,动态模拟了石油管的整个拔制过程,得到了拔制力的动态变化过程,研究了模锥角、摩擦系数、壁厚等工艺参数对拔制力的影响。本文所建立的拔制力分析模型经与实验结果比较,达到了较好的吻合,可为优化模具结构和进行拔制工艺设计提供依据。

空拔钢管过程由于能够有效灵活的缩减石油管的直径,获得所需的石油管直径和壁厚及机械性能,因而在实际生产中被广泛应用。生产实践表明石油管拔制过程中的拔制力受模具和拔制工艺参数的影响,是影响产品质量和设备使用的重要参数。目前,由于缺乏对石油管拔制加工微观机理的解释,从而影响了石油管拔制力的定量描述,导致以实验分析为主的研究成果一直用于指导工业生产。为此,本文采用弹塑性力学方法,建立较为准确的计算模型,用数值模拟方法分析石油管的拔制变形过程,得到模具和拉拔工艺参数对拔制力的影响,为优化模具和拔管工艺设计提供理论依据。

    1 力学模型的建立

    1.1 石油管空拔的基本原理

石油管空拔的变形区可分为减径区和定径区两部分,如图1所示。随着拔制过程的进行,拔模和套管相互接触,使石油管在轴向伸长的同时产生径向收缩。进入定径区后,石油管不再受压缩,而是进行弹性恢复,所以仍然受压应力和切向摩擦力作用。在拔制过程中,既存在接触非线性,又存在几何非线性和边界非线性,是一个多重非线性相互耦合的问题。因此,模拟过程一定要对各种非线性加以考虑。

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用虚功原理建立单元刚度的修正拉格朗日方程。

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    1.2 石油管空拔的有限元模型

石油管和模具几何上是绕同一轴线的回转体,选用具有显式分析功能的Solid164单元对实体模型划分网格,可以得到较为规则的网格分布,由对称性原则分网后的石油管和模具的有限元模型如图2所示。为提高计算精度,按照弹塑性体处理模具,石油管与模具的接触类型设置为面面接触。为达到计算的收敛性,加载方式选择为在套管端面上施加一段位移来代替实际的拔制力,通过位移与时间的匹配来实现拔制速度的设定,并限制模具的平移和转动。用实验测定的石油管材料应力-应变曲线如图3所示。

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    2 石油管空拔的拔制力计算

取一段材料为28CrMo47V的石油管。石油管拔制前的尺寸为30mm×3mm,其的弹性模量为1.856×105 MPa,泊松比为0.3,石油管与模具内壁之间的摩擦系数为0.1。模具的定径带直径25mm、宽3mm、模具的外径65mm、宽25mm、模锥半角α=12°,弹性模量和泊松比与石油管相同。

    有限元计算的拔制力为:F=58842(N)

    通过计算可得,拔制力随拔制过程的变化情况如图4所示,可将拔制力的变化分为3个阶段:

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    1)起始阶段。随着套管逐渐与模具发生接触,拔制力逐渐增大,对应图4中曲线开始时的拔制力随时间快速增大的区段。

    2)流动阶段。在套管与模具基本上完全接触后,金属进入一种非稳态的流动阶段,此时由于金属流动,拔制力迅速减小,同时由于流动方向的不确定性,拔制力快速变化,对应图4中曲线的抖动区段。

    3)稳定阶段。随着拔制过程的深入,金属的流动渐趋稳定,拔制力不再发生变化,对应图4中曲线的平直区段。

    3 拔制工艺参数对拔制力的影响

    3.1 模锥角对拔制力的影响

当模锥角α增加时,一是变形区长度减小,摩擦面减小,导致正压力及相应的摩擦力减小,使拔制力降低;二是正压力水平方向的分力增加,同时套管在拔制入口处的附加弯曲变形的程度加大,导致拔制力增加。一般,当α角度比较小时,第一因素所起的作用是主要的,而当α增大到一定之后,第二因素起主要作用。理论计算和实验都表明,存在一个拔制力最小的角度范围。图5是在计算了不同模锥角α与拔制力关系的基础上描绘的曲线,可以看到,模锥角α=11.8°时的拔制力是最小的。该结论为模具结构参数设计提供了依据。

    3.2 摩擦系数对拔制力的影响

图6为摩擦系数与拔制力之间的关系,随着摩擦系数的增加,拔制力线性增大,因此在实际生产过程中有必要通过提高模具内锥面的加工质量、采取可靠的润滑等措施,来减小摩擦系数,以降低拔制力。

    3.3 石油管壁厚对拔制力的影响

图7所示为石油管壁厚变化对拔制力的影响,可以看出在相同的条件下改变壁厚,拔制力线性增大。实测值与理论计算曲线相比较,变化趋势相同,误差在12.2%以内,达到了较好的吻合。可为冷拔设备功率计算提供较为可靠的依据。

    4 结论

1)本文建立了石油管空拔的拔制力计算模型,经实验证实,理论计算值与实测值较好地吻合,可以用于工程计算。

2)本文用有限元方法模拟了石油管的空拔过程,研究了模锥角、摩擦系数和壁厚等工艺参数对拔制力的影响,为模具结构设计以及冷拔设备的功率计算提供了较为可靠的理论依据。