板邊預(yù)彎作為直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)線的主要工序之首，對直縫埋弧焊鋼管的質(zhì)量影響很大。其目的是同時(shí)完成鋼板兩邊的彎曲變形沧奴，使鋼板兩邊的彎曲半徑達(dá)到或接近所需鋼管的半徑，從而保證鋼管開口區(qū)域的幾何形狀和尺寸精度长窄。早期的直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)中沒有預(yù)彎工藝滔吠，至60年代在美國的麥基波特廠部分機(jī)組才出現(xiàn)預(yù)彎技術(shù)，70年代預(yù)彎技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到極大重視和發(fā)展[1]挠日。鋼板的預(yù)彎分輥式預(yù)彎和模壓式預(yù)彎兩種疮绷。輥式預(yù)彎屬于早期的預(yù)彎工藝，適用于薄鋼板嚣潜，模壓式預(yù)彎屬于后來發(fā)展的較先進(jìn)的預(yù)彎技術(shù)冬骚，可用于厚板的彎曲成型，現(xiàn)今的JCOE和UOE直縫埋弧焊管生產(chǎn)中普遍采用模壓式預(yù)彎技術(shù)懂算。該工藝可得到十分理想的板邊形狀只冻，有效防止成型后的管筒呈尖嘴“桃形”和擴(kuò)徑時(shí)開裂[2]。本文利用MSC.MARC軟件的回彈計(jì)算技術(shù)计技，對模壓式預(yù)彎工藝進(jìn)行數(shù)值模擬喜德，合理選擇模具形狀、預(yù)彎卷角口迟、預(yù)彎長度等岗命，從而保證直縫埋弧焊接鋼管的預(yù)彎質(zhì)量。

　　1 模壓式預(yù)彎工藝方案

　　模壓式預(yù)彎保蒲，是采用兩套模具同時(shí)對鋼板的兩邊進(jìn)行加壓從而使鋼板彎曲得到所需弧度。操作步驟為：根據(jù)鋼板寬度調(diào)整模具位置敢弟，鋼板放置入上下模間贼卿，上模固定，兩壓力機(jī)下模同時(shí)上頂進(jìn)行折彎捅振，待兩下模下降彬率、鋼板送入又一步長后，重復(fù)以上過程直至鋼板兩邊同時(shí)完成預(yù)彎怯糠。

　　由于模具的對稱性署隔，故選取一邊詳細(xì)分析模具形狀。上模和下模均采用優(yōu)化的漸開線形狀瓦统，而非簡單的標(biāo)準(zhǔn)圓的一段贿妹。因?yàn)樵娇拷暹吿幥首兓酱螅貜椓恳蚕鄳?yīng)增大金矛。為了最終得到標(biāo)準(zhǔn)的圓管芯急，模具的弧線從左到右必須有個(gè)半徑漸漸增大的趨勢，A點(diǎn)即為漸開線終點(diǎn)驶俊。其中下模的基圓半徑比上模大娶耍，上模的曲率半徑比下模大免姿。鋼板從A點(diǎn)開始逐漸變形，變形處的曲率半徑減小榕酒，力臂逐漸縮短胚膊，機(jī)器的壓制力逐漸增大。當(dāng)力臂減小到一倍板厚(即到達(dá)C點(diǎn))時(shí)想鹰，變形結(jié)束紊婉。此時(shí)，壓制力最大杖挣，預(yù)彎寬度為B肩榕，預(yù)彎角度為α。

　　2 數(shù)值模擬

　　為了便于對板料彎曲過程中的應(yīng)力應(yīng)變以及對回彈前后應(yīng)力的變化進(jìn)行分析惩妇，利用MSC.MARC軟件對預(yù)彎變形進(jìn)行精確模擬株汉。

　　2.1 模擬參數(shù)設(shè)置

　　采用簡化的上模和下模。材料選擇第一代管線系列鋼X52級(相當(dāng)于日本TS52K鋼)撤掀，其力學(xué)性能參數(shù)如狱槽。

　　2.2 網(wǎng)格劃分要點(diǎn)

　　由模具特點(diǎn)和金屬流動(dòng)規(guī)律可知，鋼板由右至左變形程度是逐漸增大的拂谆，為了模擬結(jié)果的精確屿帕，因此網(wǎng)格劃分中設(shè)置u方向的偏轉(zhuǎn)系數(shù)(-0.2)，使得網(wǎng)格由右至左逐漸由疏至密姓纲。另外盗晓，由于此變形屬于大變形，網(wǎng)格到后來變形嚴(yán)重愕啰，初始預(yù)定的網(wǎng)格劃分很難適應(yīng)在不同時(shí)間點(diǎn)上變量的空間分布變化津霜，為了以合理的計(jì)算成本獲得精度較高的分析結(jié)果，采用網(wǎng)格自適應(yīng)有效的加密接觸區(qū)網(wǎng)格温盅。

　　2.3 應(yīng)力分析

　　上述變形過程中曹撩，橫截面上不受剪力和彎矩，在縱截面上受始終垂直于中性層的彎矩作用改耽，屬于純彎曲梁變形牡鸥。隨著變形的進(jìn)行，以縱向中性層為分界斑匪，上部縱向纖維縮短呐籽，下部縱向纖維伸長。在應(yīng)力上表現(xiàn)為上部受壓應(yīng)力秤标，數(shù)值呈負(fù)值;下部受拉應(yīng)力绝淡，數(shù)值呈正值，所示。當(dāng)下模上行到最高點(diǎn)時(shí)牢酵，機(jī)器壓制力達(dá)到最大值悬包，等效應(yīng)力也達(dá)到最大，其分布從右至左逐漸增大馍乙，下模撤回后布近，板料回彈同時(shí)伴隨應(yīng)力釋放，板料自由端回彈最大丝格，應(yīng)力幾乎釋放到零撑瞧。

　　3 模擬結(jié)果分析

　　3.1 預(yù)彎卷角

　　預(yù)彎卷角α直觀反映了板邊處的弧度形狀，直接影響預(yù)彎質(zhì)量显蝌。角度過小時(shí)预伺，鋼板邊緣部位的平直段過長，導(dǎo)致成型后的管筒呈尖嘴“桃形”惨浩，給后序預(yù)焊合縫帶來麻煩早斯，易引起錯(cuò)邊或焊接燒穿。角度太大時(shí)赫窄，要大大增加預(yù)彎力降低機(jī)器效率阶桦，特別是在設(shè)備接近能力極限規(guī)格的鋼板時(shí)會(huì)造成板邊質(zhì)量不穩(wěn)定。因此在生產(chǎn)中臭脯，一般選取在22～40之間铜朗。

　　材料一定的狀態(tài)下，預(yù)彎卷角受預(yù)彎寬度和下模上行高度的影響谒娩。預(yù)彎寬度一定時(shí)嗅桑，下模上行高度較高，預(yù)彎卷角則較小;下模上行高度較低嵌障，則卷角較大审服。下模上行高度一定時(shí)，預(yù)彎卷角隨預(yù)彎寬度的增大而增大旷似、隨預(yù)彎寬度的減小而減小。

　　3.2 預(yù)彎寬度

　　預(yù)彎寬度B取決于鋼管直徑乔煞、板料厚度和材料性能吁朦。由于回彈后的板邊處曲率半徑應(yīng)與鋼管半徑大致相當(dāng)，因此預(yù)彎寬度應(yīng)與模具形狀相對應(yīng)渡贾。

　　3.3 彎曲回彈

　　3.3.1 彎曲回彈理論

　　板料彎曲變形時(shí)都會(huì)發(fā)生一定的回彈逗宜，影響回彈的因素很多，單純理論分析并不可靠空骚，因此現(xiàn)在多采用有限元方法計(jì)算分析回彈問題纺讲。以前的回彈公式都是基于全塑性彎曲的假設(shè)導(dǎo)出，帶來很大誤差囤屹。為了減小誤差熬甚，現(xiàn)采用一種更符合實(shí)際的理論模型逢渔，如圖6∠缋ǎ靠近中性層區(qū)域?qū)儆诩儚椥詰?yīng)變狀態(tài)肃廓，應(yīng)力隨厚度呈線形分布，這一區(qū)域外屬于彈塑性變形區(qū)诲泌，在應(yīng)力超過屈服應(yīng)力后官澳，應(yīng)力隨應(yīng)變呈非線形關(guān)系[3]。

　　在此理論模型上予裳，獲得彎曲回彈公式式中;

　　;

　　可以看出澈渠，回彈前的半徑R是材料性能(力學(xué)和幾何參數(shù))m以及回彈后所需目標(biāo)半徑R'的函數(shù)。

　　3.3.2 正交試驗(yàn)

　　對3個(gè)設(shè)計(jì)變量分3個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)芙继，要進(jìn)行9組試驗(yàn)才能滿足要求坞鲁，故選取L9(34)列表方案，每組方案均利用MSC.MARC軟件完成有限元模擬婿哥，并計(jì)算出目標(biāo)函數(shù)值钾非。

　　目標(biāo)鋼管的半徑是300mm，根據(jù)上面彎曲回彈公式計(jì)算回彈前的半徑為R=263.4mm酣矮，上木蘧基圓半徑一般取整值，因此取Rp的三個(gè)水平值為260mm颅挟、265mm测捎、270mm。半徑300mm的鋼管的板坯寬度是1885mm而芥，預(yù)彎完成后的JCOE折彎預(yù)計(jì)使用15道次折彎律罢，因此選取預(yù)彎寬度的三個(gè)水平值為210mm、215mm棍丐、220mm误辑。根據(jù)材料X52，查表得到板料厚度分別可取9.5mm歌逢、10.3mm和11.1mm巾钉。

　　回彈量表征方式見圖7，取到O點(diǎn)距離為定值(本文選取200mm)的P點(diǎn)秘案，回彈前曲線撓度為H1砰苍，回彈后曲線撓度為H2，用前后撓度差ΔH表示回彈量阱高。

　　觀察表3的9組正交試驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行計(jì)算(為了方便以下分析赚导，用A指代上模基圓半徑，B指代預(yù)彎寬度吼旧，C指代板料厚度)凰锡，理論上計(jì)算出最優(yōu)方案為A1B2C3，也就是各因素平均回彈量最小的水平組合的方案滩哥。計(jì)算出各因素極差分別為RA=0.671下桃，RB=0.845，RC =1.136;表明C因素對回彈量影響程度最大溃恼，B因素次之磅愤，A因素對回彈量影響最小。

　　進(jìn)一步可以畫出A追粉，B举库，C三個(gè)因素對回彈量影響的趨勢圖。從圖中看出短硼，回彈量隨著板料厚度的增大顯著減小翩性。對于上模基圓半徑自幕，回彈量隨其增大而增大稽徙，達(dá)到最大值后逐漸減小。對于預(yù)彎寬度振袋，同上暮芘福基圓半徑相反，先減小后增大珍语。

　　4 結(jié)論

　　(1)詳細(xì)分析了模壓式預(yù)彎過程锤岸，利用MSC.MARC的回彈計(jì)算功能，建立合理的模型板乙，對其進(jìn)行數(shù)值模擬是偷。彎曲變形回彈后，各處應(yīng)力都有釋放募逞，其中板邊處應(yīng)力釋放最大蛋铆。

　　(2)研究了模具形狀、預(yù)彎卷角放接、預(yù)彎寬度等因素對最終成型半徑的影響戒职。重點(diǎn)解析預(yù)彎回彈，以彎曲回彈逆解公式為基礎(chǔ)透乾，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出磕秤，板料厚度對回彈影響最大乳乌，預(yù)彎寬度次之，上模基圓半徑再次赴碘。對于半徑300mm的鋼管社衰，選取上模基圓半徑260mm鸡视、預(yù)彎寬度215mm桃旷、板料厚度11.1mm，預(yù)彎回彈量最小酒半。

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