斜辊钢管矫直过程的数值模拟与接触状态分析

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1、斜辊钢管矫直过程的数值模拟与接触状态分析摘要：对某厂六斜辊(2-2-2)矫直过程进行显式动力学有限元分析，模拟各矫直辊快开压下过程及稳定矫直过程，仿真获得矫直力与现场压力传感器测试值基本一致。通过有限元后处理结果屮矫直力随时间的历史变化曲线，分析了矫直过程中压弯力、压扁力的作用情况以及各接触对的接触特性变化。各单辊娇直力在矫直辊快开压下并接触钢管时最大，稳定矫直后趋于平稳，中间对辊接触相对比较均匀，边辊的接触区域集中在矫直辗的端部。关键词：钢管；斜辊；矫直；数值模拟；接触1概述随着机械工业的发展

2、以及对输油管线铺设效率提高的迫切需要，对钢管成品的直线度及圆度精度要求越来越高。钢管矫直的直线度决定于反弯曲率与接触曲线，而圆度精度决定于压扁量。对于矫直机设备而言，直线度决定于反巧量和矫直辊的倾斜角，圆度决定于对辊辊缝。前苏联的马斯吉列逊［1］和国内的崔甫［2］对钢管矫直过程进行了系统的研宂，对国内钢管矫直机设备及工艺的研宄提供了基础。李强［3］采用在矫直辊轴承座上贴应变片的方式进行了斜辊钢管矫直机矫直力的测试分析。朱美珍［4］以弹塑性理论为基础，建立了压扁力的计算体系。子风琴［5］采用相对更

3、准确的受力模型计算各矫直辊的受力情况，综合分析巧曲力与压扁力对总矫直力的作用，但其只在中间抱辊施加了压扁力。而在钢管实际矫直过程中，矫直辊的受力情况及其复杂，而且在实际矫直过程中，为了实现碾压弯曲矫直钢管端部作用，首尾对辊也要施加一定的压扁力。文章以某现场的实际工况为基础，建立有限元模型，分析娇直过程中矫直力的变化以及矫直辗接触情况。2有限元模型建立现场使用矫直机为国外引进当前国际先进的矫直机，具备完善的自动控制系统，能够实现矫直辊位置和角度的自动设定，同时，在三个上辊装配连接位置配备压力传感器

4、，能够动态获得矫直过程中的矫直力。该矫直机矫直钢管外径尺、j•范围60.3mm〜244.5mm，壁厚范围3.5mm〜30mm，最大允许矫直力100吨，矫后直线度精度能够达到管体lmm/1500酮，管端（1400mm范围）达到1mm/1000mm；首尾矫直辗辗距1800mm,辗腰直径318mm,辗形长度452mm。矫直钢管为L80-1油套管，外径73mm,壁厚5.51mm，到达矫直机的温度为50（TC。经过现场观测來料情况，来料钢管均相对比较直，肉眼观测无明显弯曲。控制模型中输入参数为来料参数，分

5、别为管??73mm,壁厚5.5mm,屈服强度400Mpa;输出参数为三个上辊角度、三个下辊角度、三对辊辊缝值与中间下辊反弯量；设定参数为实际矫直过程中使用的三个上辊角度、三个下辊角度、三对辊辊缝值与中间下辊反弯量（弯曲形式为上弯式，中间下辊上抬），但是由于矫直辊的磨损，实际的辊缝值与设定值已经有非常大的差距，而现场娇直辊与钢管的接触状态良好，且能够矫直，因此模拟中选择了按照模型计算参数进行建模。穿管速度40m/min,矫直速度50rn/inino2.1几何模型的建立图1所示为建立的几何模型，涉及

6、到的零件有矫直辊、钢管、辊道，其中为简化计算，辊道采用光滑无摩檫的平板代替。具体几何参数如表1所示。矫直辊的辊形如图2所示将该辊形与现场矫直机矫直辊的样板辊形比较，两条曲线一致。将钢管、矫直辊、平板按照现场尺寸进行装配，得到图1所示几何模型。2.2材料模型矫直过程中辊系变形极小，故将辊系考虑为刚体，仅考虑钢管的变形,5W°C时其可近似为理想弹塑性材料，相关物性参数参考现场经验，取弹性模量175Gpa,泊松比0.3,屈服强度400Mpa，50(TC条件下，材料可近似看作理想弹塑性材料。2.3边界条

7、件处理整个计算过程完全参考现场实际矫直过程，初始状态各矫直辊沿自己的轴线空转，保证沿轧制方向分速度为50m/min,只有旋转自由度，其他方向固定，钢管给定初始速度场，穿管速度40m/min,两侧平板固定。当钢管经过第一对矫直辊时，入口上辊压下，经过第二对矫直辊时，中间上辊压下，经过最后一对矫直辊时，出口上辊压下，整个过程分为8个分析步，分别为初始步、开始穿管步、入口上辊压下步，穿管步，中间上辊压下步，穿管步，出口上辊压下步，连续矫直步。设置钢管与各矫直辊的接触为面面接触，径向有限滑动摩擦，摩擦系

8、数0.2,法向硬接触；设置钢管与两侧平板为径向无摩擦接触，法向硬接触；总计8个接触对。2.4单元划分钢管单元选择一阶显式六面体缩减积分单元C3D8R。划分钢管单元时保证钢管壁厚方向至少有4层单元以减小沙漏效应。2.5求解过程为提高计算效率，计算过程中采用了半自动的质量放大办法，将时间增量步小于1E-6的值均放大到1E-6以上。3结果比较3.1矫直力结果比较对现场矫直某根*73钢管的控制模型上的视频录像进行分析，图3所示为视频上记录下来的三个上辊矫直力（t）随时间变化情况（现场上辊安装有压力传感器