UOE焊管成形质量控制的策略研究与仿真系统开发

论文摘要

UOE焊管成形质量控制的最终目的是使板料经过多步工序成形焊管的椭圆度和桃形凸度达到精度要求。UOE工艺涵盖了对宽厚板依次进行的板边弯曲、U成形、O成形和扩径等成形工序,是一种多工序集成的成形过程。各种工艺参数之间的相互影响关系复杂,而其又直接和焊管的成形质量相关。因此,对UOE成形工艺过程进行控制,使板料在各阶段的变形协调以提高最终制品的质量具有重要意义。本文首先对UOE工艺进行理论研究。基于板料在成形过程中的变形特点,推导了弯边、U成形和O成形工序的成形力和模具行程计算公式,并给出了板料在各成形阶段的回弹预测表达式。建立了UOE工艺过程的连续仿真有限元模型,并揭示了板料在成形过程中的变形机理。板料的变形包括弯曲、反弯曲、压缩和拉伸。弯边和U成形阶段以板料的弯曲变形为主;O成形阶段以板料局部反向弯曲和周向压缩变形为主;扩径阶段以周向伸长和壁厚减薄为主。沿圆周方向,坯料内部存在两个残余应力较大的区域,一处是U形弯曲件直壁段与圆弧部分过渡区,另一处是直壁段最先产生弯曲变形区域。UOE焊管成形过程属于多变量、强耦合的复杂弹塑性变形过程,很难得到工艺参数与最终制品质量的简单映射关系。本文以最终制品的椭圆度和桃形凸度为控制对象,根据后续工序成形质量要求确定前一步工序应该控制的质量参数,制定UOE成形工艺的质量控制参数及指标体系。通过对各质量评价指标对成形质量的影响定性和定量分析,制定了UOE焊管成形质量的控制策略。结合构建的质量评价体系,通过对MARC软件进行二次开发,建立了集成可视化菜单模块、UOE工艺过程仿真参数化建模模块、质量评价指标自动生成模块、人机交互式仿真计算模块以及缺陷分析模块于一体的UOE成形工艺过程仿真系统。仿真系统可在给定的工艺参数下,实现对焊管UOE工艺过程的正向仿真,模拟板料在成形工序中的连续变形过程,也可实现有继承的单工序仿真计算,并可自动输出成形载荷、回弹变形、制件尺寸、形状误差、残余应力分布等信息,为UOE工艺成形焊管过程的工序评价和分析提供便利。基于该系统的研究成果已应用于宝钢新建UOE大直径管线钢管生产线项目。通过成形工艺实验研究,测定了O成形载荷和制品椭圆度、桃形凸度。实验结果和理论分析、数值模拟结果吻合较好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 UOE 成形工艺及流程
• 1.2.1 弯边
• 1.2.2 U 成形
• 1.2.3 O 成形
• 1.2.4 扩径
• 1.3 UOE 工艺国内外发展概况及研究进展
• 1.3.1 国内外UOE 工艺发展概况
• 1.3.2 UOE 工艺研究进展
• 1.4 课题来源及本文主要研究内容
• 第2章 UOE 成形的基础理论分析
• 2.1 板边弯曲成形力计算
• 2.2 U 成形的力能参数及行程
• 2.2.1 弯曲凸模成形载荷
• 2.2.2 水平辊成形载荷
• 2.2.3 弯曲凸模工作行程
• 2.2.4 水平辊工作行程
• 2.3 O 成形载荷及模具行程计算
• 2.3.1 成形载荷
• 2.3.2 模具工作行程
• 2.4 机械扩径的力能参数及扩径行程
• 2.4.1 扩径力
• 2.4.2 扩径行程
• 2.5 回弹预测
• 2.5.1 板边弯曲的回弹预测
• 2.5.2 U 成形的回弹预测
• 2.5.3 O 成形的回弹预测
• 2.5.4 机械扩径的回弹预测
• 2.6 本章小结
• 第3章 UOE 工艺过程的变形特征分析
• 3.1 有限元数值模拟模型
• 3.2 变形特征分析
• 3.2.1 弯边变形分析
• 3.2.2 U 成形变形分析
• 3.2.3 O 成形变形分析
• 3.2.4 机械扩径变形分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 UOE 焊管成形质量评价体系及控制策略
• 4.1 质量评价体系及整体控制策略
• 4.1.1 O 成形质量评价体系
• 4.1.2 弯边质量评价体系
• 4.1.3 U 成形质量评价体系
• 4.2 分步控制策略
• 4.2.1 弯边半径
• 4.2.2 不弯边长度
• 4.2.3 直壁段倾角
• 4.2.4 底部内弧半径
• 4.2.5 桃形凸度
• 4.2.6 椭圆度
• 4.3 本章小结
• 第5章 UOE 成形工艺仿真系统
• 5.1 MSC.Marc 软件及Python 模块简介
• 5.1.1 MSC.Marc 软件简介
• 5.1.2 Python 模块简介
• 5.2 UOE PSS V1.0 系统功能
• 5.2.1 基于MENTAT 的可视化菜单
• 5.2.2 参数化建模模块
• 5.2.3 质量评价指标自动生成模块
• 5.2.4 人机交互模块
• 5.2.5 缺陷分析模块
• 5.3 UOE PSS V1.0 系统应用实例
• 5.3.1 正向仿真
• 5.3.2 人机交互式仿真
• 5.3.3 缺陷分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 UOE 焊管成形工艺实验研究
• 6.1 实验方案与测试
• 6.1.1 实验设备与成形模具
• 6.1.2 实验结果
• 6.2 实验结果分析
• 6.2.1 成形载荷
• 6.2.2 成形质量
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介