大口径厚壁管感应加热弯曲成形有限元模拟研究

发布时间：2021-09-22 07:23

　　感应加热弯曲工艺是制造高性能弯管的先进成形技术,广泛应用于油气管线、建筑结构以及机械设备等领域弯管的制造。然而,在弯曲过程中,管壁容易出现内弧侧起皱、外弧侧减薄及径向截面畸变等缺陷,如何控制和提高大口径厚壁弯管的成形质量成为具有挑战性的难题。同时,大口径厚壁感应加热弯曲成形是一个集几何、物理和边界三重非线性为一体的复杂成形过程,具有多物理场耦合、非稳态、多参数和非等温等变形特征,单纯采用理论分析、试验方法和有限元模拟都难以实现对该过程准确全面的研究。为此,本文采用有限元模拟方法为主,实验与理论方法为辅的研究方式,以Φ600×10.86mm X60厚壁管为研究对象,对大口径厚壁管感应加热弯曲成形过程进行了系统深入的研究,主要研究内容及结果如下:基于COMSOL Multiphysics软件,建立了管材感应加热弯曲成形的三维有限元模型,解决了“电磁-热”与“热-力”耦合、边界条件处理以及网格划分等建模关键问题,避免了空气域边界造成的电磁反射波对感应加热的影响,实现了管坯在稳定的电磁感应加热条件下的弯曲过程,并通过实验对有限元模型的可靠性进行了验证,模拟和实验结果吻合较好。针对X60级管线钢... 

【文章来源】：西安石油大学陕西省

【文章页数】：89 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 管材弯曲加工方法及其特点
    1.3 管材感应加热弯曲成形技术简介
        1.3.1 管材感应加热弯曲成形过程基本原理
        1.3.2 管材感应加热工艺的优点
    1.4 管材弯曲成形的国内外研究现状
        1.4.1 理论研究
        1.4.2 有限元模拟研究
        1.4.3 试验研究
        1.4.4 感应加热弯曲成形工艺研究中存在的问题
    1.5 本文的研究背景及意义
    1.6 本文主要研究内容与思路
        1.6.1 主要研究内容
        1.6.2 研究思路
第二章 感应加热理论及管材弯曲力学基础
    2.1 感应加热的数学模型
        2.1.1 感应加热原理
        2.1.2 电磁热转换过程
        2.1.3 感应加热磁场数学模型
        2.1.4 感应加热的温度场数学模型
    2.2 管材感应加热弯曲的受力分析
        2.2.1 弯管变形区应力分析
        2.2.2 弯管变形区应变分析
        2.2.3 管材感应加热弯曲推进力分析
        2.2.4 变形区轴向推力和剪力
        2.2.5 感应加热弯管力矩分析
    2.3 本章小结
第三章 管材感应加热弯曲成形有限元模型建立
    3.1 引言
    3.2 COMSOL Multiphysics软件介绍
    3.3 管材感应加热弯曲三维有限元模型的建立
        3.3.1 几何实体的建立
        3.3.2 材料的添加
        3.3.3 边界条件
        3.3.4 多物理场耦合
        3.3.5 网格划分
        3.3.6 求解器的选择
    3.4 本模型的特点
    3.5 模型有效性验证
        3.5.1 管坯材料的本构关系
        3.5.2 线圈材料和环境材料
        3.5.3 实验验证
    3.6 本章小结
第四章 大口径厚壁管感应加热弯曲成形过程的变形行为
    4.1 引言
    4.2 感应加热弯管的温度分布规律
    4.3 感应加热弯管应力分布
        4.3.1 成形弯管的应力分布
        4.3.2 变形区轴向应力分布
    4.4 感应加热弯管应变分布规律
        4.4.1 成形弯管的等效塑性应变分布规律
        4.4.2 成形过程中弯管应变演变规律
    4.5 感应加热弯管壁厚变化规律
        4.5.1 成形弯管壁厚变化规律
        4.5.2 成形过程中弯管壁厚演变规律
    4.6 感应加热弯管椭圆度变化规律
        4.6.1 成形弯管宏观轮廓变化规律
        4.6.2 成形弯管椭圆度分布规律
    4.7 本章小结
第五章 成形参数对感应加热弯管变形行为的影响
    5.1 引言
    5.2 弯曲半径对弯管变形行为的影响
        5.2.1 弯曲半径对椭圆度的影响
        5.2.2 弯曲半径对壁厚的影响
        5.2.3 弯曲半径对弯管塑性变形的影响
    5.3 感应线圈宽度对弯管变形行为的影响
        5.3.1 线圈宽度对椭圆度的影响
        5.3.2 线圈宽度对壁厚的影响
        5.3.3 线圈宽度对弯管塑性变形的影响
    5.4 感应加热区温度对弯管变形行为的影响
        5.4.1 感应加热区温度对椭圆度的影响
        5.4.2 感应加热区温度对壁厚的影响
        5.4.3 感应加热区温度对弯管塑性变形的影响
    5.5 推进速度对弯管变形行为的影响
        5.5.1 推进速度对弯管的椭圆度影响
        5.5.2 推进速度对壁厚的影响
        5.5.3 推进速度对弯管塑性变形的影响
    5.6 夹头初始角度对弯管变形行为的影响
        5.6.1 夹头初始角度对椭圆度的影响
        5.6.2 夹头初始角对壁厚的影响
        5.6.3 夹头初始弯曲角对弯管塑性变形的影响
    5.7 本章小结
第六章 基于正交试验的弯管成形参数的优化设计
    6.1 引言
    6.2 优化变量的选取
    6.3 正交试验设计与数据分析
        6.3.1 正交试验设计的基本步骤
        6.3.2 正交试验的设计
        6.3.3 正交试验数据分析
    6.4 正交试验方差分析
        6.4.1 方差分析的必要性和显著变动原则
        6.4.2 正交试验方差分析
    6.5 工艺参数优化分析
    6.6 本章小结
结论
参考文献
攻读学位期间发表的论文
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]基于集肤效应的大直径薄壁弯管感应加热[J]. 方秀荣,王俊峰,曹文胜.  油气储运. 2017(08)
[2]Φ1422mm X80钢级热煨弯管的研制[J]. 王永胜,李玉卓,赵玉朋,金永英,侯丽娜.  热加工工艺. 2016(07)
[3]X70钢级大径厚比热煨弯管制造工艺研究[J]. 张海波,彭立山,白雷杰,赵志伟,刘旭,巩忠旺.  焊管. 2014(10)
[4]中频加热弯管壁厚减薄率的控制[J]. 黄志良,张远森.  广船科技. 2014(01)
[5]管材绕弯成形有限元数值模拟[J]. 曾珊琪,郑阿黎,田普建,江勇.  陕西科技大学学报(自然科学版). 2013(03)
[6]X80热煨弯管热处理工艺对组织及性能的影响[J]. 王卫国,李彦民,魏秦文,姚登樽,尹长华.  材料工程. 2012(10)
[7]基于灰色理论的薄壁不锈钢管弯曲工艺参数优化技术[J]. 高战地,唐承统,贾美慧.  北京理工大学学报. 2011(09)
[8]弯管回弹影响因素的有限元分析及试验研究[J]. 郑晨阳,鄂大辛,李延民,田鑫.  汽车工艺与材料. 2010(06)
[9]管材数控绕弯回弹实验研究及BP网络预测模型[J]. 刘婧瑶,唐承统,宁汝新.  塑性工程学报. 2009(06)
[10]工艺参数对管材激光弯曲成形影响规律的研究[J]. 管延锦,孙胜,赵国群,袁桂平.  中国机械工程. 2006(S1)

博士论文
[1]薄壁管数控弯曲成形过程失稳起皱的数值模拟研究[D]. 林艳.西北工业大学 2003

硕士论文
[1]大型弯管热揻制过程数值模拟及工艺优化[D]. 韩文鹏.燕山大学 2016
[2]铝锂合金非对称截面型材四轴滚弯工艺研究[D]. 胡智华.南京航空航天大学 2016
[3]基于Stewart平台机构的智能弯管机的优化设计与运动控制[D]. 吴秀林.西南交通大学 2008
[4]感应加热温度场的数值模拟[D]. 张月红.江南大学 2008
[5]薄壁管的充液压弯成形研究[D]. 刘泽宇.哈尔滨工业大学 2007
[6]几何工艺参数对热推弯管过程影响规律的研究[D]. 赵俐敏.燕山大学 2007
[7]加热弯管工艺计算机数值模拟[D]. 张君.西北工业大学 2001



本文编号：3403374