直縫焊管開口孔型中軋輥與管坯間的接觸壓力分布

1、ISSN100020054CN1122223?N清華大學學報(自然科學版)JTsinghuaUniv(Sci上軋輥與管坯的接觸壓力分布是以軋輥中點為界分為兩個部分每個部分內(nèi)接觸壓力近似呈三角形分布。管坯在開口孔型中處于彎曲成型階段時接觸壓力分布是在彎曲成型階段壓力分布基礎上中部疊加了一個擠壓力。關鍵詞:直縫焊管接觸壓力光彈性方法有限元方法中圖分類號:TH123.4文獻標識碼:A文章編號:100020054(2000)0520076204

2、在現(xiàn)代直縫焊管生產(chǎn)中軋輥與管坯間的接觸壓力分布函數(shù)是確定成型滾動直徑的位置及張力分析的基礎[1]。直縫焊管開口孔型中軋輥與管坯間的壓力分布分為兩種情況來考慮:一是輥縫值與板厚相等既不壓靠也無間隙是理想的成型力稱之為彎曲成型力Ff二是輥縫值小于初始板厚產(chǎn)生了壓靠力Fe。有關軋輥與管坯間的壓力分布的研究很少文[2]曾經(jīng)對壓力分布函數(shù)進行了推導但是推導的過程過于簡化并且是建立在兩個假設條件的基礎之上推導的結果也沒有進行任何的實驗驗證因此其結果

3、難于在實際生產(chǎn)中應用。本文從實驗入手進行有限元模擬計算以期揭示直縫焊管生產(chǎn)中軋輥與管坯間的壓力分布規(guī)律使之運用于實際生產(chǎn)之中。1實驗過程1.1實驗方法的選擇實驗應力分析方法有:光彈性實驗方法、電阻應變方法、脆性涂層法和電場比擬法等。比較各個實驗方法的特點并且結合直縫焊管的生產(chǎn)條件本文選擇光彈性實驗法。按照應力狀態(tài)的不同可以把光彈分為平面光彈和三維光彈。如果本實驗采用三維光彈凍結應力將十分困難因為在烘箱中的高溫狀態(tài)下很難調整軋輥模型和管坯

4、之間的接觸狀態(tài)使之達到臨界接觸。在軋輥與管坯的接觸區(qū)內(nèi)其它方向的應力同接觸應力相比是非常小的可以忽略它們的影響所以本實驗可歸結為平面光彈問題。將有應力的模型置于光彈性儀的圓偏振光路系統(tǒng)中可以在成象屏幕上得到反映主應力差的干涉條紋圖即等差線。由光性定律得到條紋與主應力差之間的關系為Ρ1Ρ2=ncfcd(1)式中:nc為等差條紋級數(shù)(nc=012)fc是等差線材料條紋值d是平面模型的厚度。普通光彈性法只能獲得反映主應力差的等差線和反映主應力

5、方向的等傾線為了求得模型內(nèi)部各點的全部應力分量通常要采用繁瑣的切力差法并利用已知邊界條件進行求解所得結果誤差較大。本文所要求解的是邊界接觸應力只利用普通光彈性法更為困難近代光測力學提供的全息光彈性法可以獲得反映主應力和的等和線因而可以根據(jù)等差條紋圖和等和條紋圖簡捷而準確地獲得模型內(nèi)部各點的主應力分量的大小。由光性定律得到條紋與主應力和之間的關系為Ρ1Ρ2=npfpd(2)式中:np為等和條紋級數(shù)(np=012)fp是等和線材料條紋值。在

6、實驗中采取全息光彈性實驗方法根據(jù)由環(huán)氧樹脂模型所獲得的等差線和有機玻璃模型所獲得的等和線條紋圖利用式(1)和(2)便可以很容易地圖5是根據(jù)管坯在彎曲成型階段的極限位置(即管坯中點將與下輥接觸的臨界點)時軋輥等差線和等和線條紋圖繪制的等差線、等和線分布圖。圖6為根據(jù)式(3)和(4)得出的接觸面Ρr和Σ應力分布圖。圖5開口孔型在彎曲成型力作用下的等和線、等差線分布圖圖6開口孔型在彎曲成型力作用下接觸面的Ρr和Σ分布圖3.2壓靠成型階段時接觸

7、面的應力分布管坯中點與下輥接觸后上輥再繼續(xù)壓下這時就進入壓靠成型階段在這個階段內(nèi)隨著上輥的壓下載荷迅速增大通常取Fe=2Ff(Ff為彎曲成型階段的最大載荷)時為該階段的結束。圖7是根據(jù)管坯在壓靠成型階段時軋輥等差線和等和線條紋圖繪制的等差線、等和線分布圖。圖8為根據(jù)式(3)(4)得出的接觸面Ρr和Σ應力分布圖。圖7開口孔型在壓靠成型力作用下的等和線、等差線分布圖圖8開口孔型在壓靠成型力作用下接觸面的Ρr和Σ分布圖4實驗的可靠性分析軋輥模

8、型由機加工成型尺寸精度高尤其是接觸面處均采用車削加工尺寸與光潔度均滿足實際要求。管坯也由車削成型管坯的光潔度和管徑都符合實驗要求。等差線和等和線的條紋分布對稱性好證明模型、管坯的加工以及加載的對中性符合要求。檢驗實驗結果可靠性的另一個標準是靜力平衡:接觸面上的應力在垂直方向上的合力應與所加載荷平衡即:F=F′(5)F′=∫s(ΡrcosΗΣsinΗ)dds(6)其中:F′是接觸面上的應力在垂直方向上的合力F是所加的載荷。由式(6)可以求

9、出接觸面上的Ρr和Σ在垂直方向的應力分量再根據(jù)實際載荷可以得到實驗中的相對誤差。開口孔型在彎曲成型力作用下的實驗誤差為F′1F1F1=0.4%.開口孔型在壓靠成型力作用下的實驗誤差為1.8%。通過靜力平衡校核可見相對誤差5%符合實驗及工程要求。5有限元模擬計算5.1有限元模型由直縫焊管的成型工藝可知焊管的成型經(jīng)歷了較大的幾何改變并發(fā)生了彈塑性變形變形情況屬于大位移、大應變且應力關系是非線性的整個成型過程屬于幾何和材料雙重非線性問題。管坯