大口径直缝焊管JCO成形过程理论分析与计算机仿真

论文摘要

随着全球石油、天然气等能源消耗速度的不断加快,输送管线建设得到迅猛发展,大口径直缝焊管的需求量日益增加,这对大口径直缝焊管的生产技术与产品质量提出了更高要求。JCO渐进式多步模压成形工艺作为大口径直缝焊管制造工艺的一种,尽管人们对相关技术进行了部分研究,但由于JCO工艺路线比较长,影响参数众多,仍然需要深入全面系统的进行研究,以合理制定成形工艺、提高产品质量、保证生产稳定性。首先,本研究基于塑性弯曲理论,根据大口径直缝焊管成形特点,在对预弯与JCO成形合理假设和简化的基础上,采用数学解析方法,对大口径直缝焊管预弯过程及JCO成形过程进行理论分析。根据预弯模具与板坯的几何关系,推导出了上下模间距、预弯板坯任意卷角处曲率半径求解公式;同时利用宽板大曲率半径纯弯曲与非圆弧弯曲计算模型,推导出了预弯回弹后曲线方程与板坯各点卷角解析式,以及预弯任意时刻的成形力、预弯回弹后残余应力分布解析式;并分别针对JCO成形中的末次对称弯曲与其它道次非对称弯曲进行理论建模,给出了弯矩、加载弯曲角、回弹角、成形力与凸模位移解析式。其次,以塑性弯曲理论为指导,以X80管线钢为主要研究对象,利用大型非线性有限元分析软件ABAQUS,建立了无底凹模自由弯曲成形有限元仿真计算模型,通过讨论不同有限元算法、不同单元模型、不同网格密度等对自由弯曲成形及回弹仿真计算精度的影响,确定了适合自由弯曲成形的有限元数值模拟参数。同时,通过实验研究验证了自由弯曲有限元模型的有效性。并以此为基础,针对X80钢普遍存在的材料性能波动与厚度变化问题,采用正交设计与全因子设计思想制定了仿真实验方案,依据响应面模型、径向基神经网络等数据分析技术,探讨了材料初始屈服应力、杨氏模量、硬化系数、硬化指数与厚度变化等因素对回弹的影响规律,建立了关键参数预测模型。为研究模具结构参数对成形的影响规律,进行了凸模曲率半径、凹模曲率半径、凹模跨距等参数对回弹角、回弹后弯曲角、成形力、最大残余应力影响敏感性分析,并利用多目标遗传算法与序列二次规划法,建立了模具参数优化模型。综合考虑凸模曲率半径与应力/应变场、弯曲角、成形力之间的关系,确定了凸模选择策略。最后,基于弹塑性材料模型和平面应变的假设条件,以X80-Φ1219×22×12000（mm）直缝焊管成形为例,建立了预弯与JCO成形过程的计算机连续仿真系统。在实验验证仿真模型正确性的基础上,分析了预弯与JCO渐进式多步弯曲成形应力应变场特点,揭示了预弯成形和JCO成形的变形特征。通过改变预弯模具形面尺寸与装配关系,给出了预弯力、下模行程及板料预弯形状变化规律。针对JCO工艺中末次对称弯曲与其余道次非对称弯曲,探讨了压下量与回弹后弯曲角之间的关系,建立了目标压下量预测模型,实现了对不同道次压下时目标弯曲角所需目标压下量的预测;讨论了模具结构参数、凸模位移等对JCO非对称弯曲成形的影响,分析了不同道次成形时管坯最终形状特点。通过对大口径直缝焊管预弯与JCO成形过程进行理论分析、计算机仿真与实验研究,归纳总结出了一些规律,为成形设备的选择、模具设计以及JCO成形工艺的制定和优化提供了重要的指导方法和参考,具有一定的工程应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 大口径直缝焊管的发展概况
• 1.2.1 大口径直缝焊管成形方式
• 1.2.2 大口径直缝焊管生产现状
• 1.2.3 大口径直缝焊管发展趋势
• 1.3 大口径直缝焊管成形工艺研究现状
• 1.3.1 研究方法
• 1.3.2 弯曲成形研究
• 1.3.3 焊管成形研究
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 预弯与JCO成形理论
• 2.1 大口径直缝焊管JCO 成形特点
• 2.1.1 工艺流程
• 2.1.2 预弯
• 2.1.3 JCO 成形
• 2.1.4 扩径
• 2.2 板材弯曲理论基础
• 2.2.1 弯曲模式及变形特征
• 2.2.2 基本假设与常用材料模型
• 2.3 预弯成形理论
• 2.3.1 上下模间距计算公式
• 2.3.2 预弯卷角计算公式
• 2.3.3 预弯回弹后曲线方程
• 2.3.4 预弯力计算公式
• 2.3.5 残余应力计算公式
• 2.4 JCO 成形理论
• 2.4.1 对称弯曲理论
• 2.4.2 非对称弯曲理论
• 2.5 本章小结
• 第3章 宽模自由弯曲变形特征分析
• 3.1 自由弯曲有限元模型
• 3.1.1 材料性能参数
• 3.1.2 有限元模型
• 3.2 有限元模拟参数对弯曲回弹的影响
• 3.2.1 有限元算法
• 3.2.2 单元模型的选择
• 3.2.3 网格的划分
• 3.3 自由弯曲实验研究
• 3.3.1 实验设计
• 3.3.2 实验结果
• 3.4 自由弯曲变形特征分析
• 3.4.1 应力场
• 3.4.2 应变场
• 3.4.3 成形力
• 3.5 材料性能波动对弯曲回弹的影响
• 3.5.1 材料性能波动
• 3.5.2 屈服强度波动对弯曲回弹的影响
• 3.6 材料厚度变化对弯曲回弹的影响
• 3.7 模具参数对弯曲回弹的影响
• 3.7.1 正交设计
• 3.7.2 仿真结果分析
• 3.7.3 模具参数优化
• 3.7.4 凸模曲率半径的优化
• 3.8 本章小结
• 第4章 预弯与JCO成形有限元分析
• 4.1 预弯与JCO 成形有限元模型
• 4.1.1 预弯有限元模型
• 4.1.2 JCO 成形有限元模型
• 4.2 预弯与JCO 成形实验
• 4.2.1 实验设计
• 4.2.2 实验结果
• 4.3 预弯变形特征
• 4.3.1 应力应变场分析
• 4.3.2 模具结构尺寸对预弯工艺的影响
• 4.4 JCO 成形变形特征
• 4.4.1 各道次压下量
• 4.4.2 应力应变场分析
• 4.4.3 JCO 成形仿真结果分析
• 4.4.4 JCO 成形工艺参数研究
• 4.5 成形道次对管坯成形形状的影响
• 4.6 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