双金属复合管液压成形弹塑性力学分析及有限元模拟研究

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运输介质的多样化和运输环境的复杂化对管道的强度、耐蚀性和耐高温性等相关性能提出了更高的要求。双金属复合管采用液压成形制造,管件胀形压力均匀并可通过基管和衬管的几何参数和力学性能参数精确计算。而且液压成形生产的双金属复合管有着内表面无擦伤和破坏现象,壁厚分布均匀,具有良好的力学性能和耐腐蚀或耐磨损性能,易于实现工业化生产等长处,被广泛应用在石油化工,机械和管道领域。但是复合管液压成形影响因素众多,如果工艺参数选用不当,在工程实践中常常会造成结合强度不够、鼓包失稳和胀裂等问题,这直接影响到液压成形的精确实现和复合管产品质量的提升。传统的通过多次试制复合管的方法会增长改进周期,浪费人力、物力、财力,导致生产成本增多。本文结合理论研究方法与有限元模拟方法,以X70/316L双金属复合管为研究对象,对其液压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:改进了当量屈服强度的图解方法,基于位移协调条件和平面应变假设,对双金属复合管液压成形进行弹塑性力学分析,获得了胀形压力和残余接触应力之间的理论解析式,确定了基管仅发生弹性变形和基管发生微量塑性变形两种情况下的胀形压力的选择区间,并进行了验证。建立了双金属复合管液压成形的有限元模型。基于该模型研究并揭示了成形参数对液压双金属复合管成形性能的影响。研究发现随着胀形压力的增大,衬管内壁周向回弹量稍有下降,而基管周向的回弹量则逐渐上升,基管内壁开始发生塑性变形前的回弹量上升速率大于发生塑性变形后的上升速率;基管内壁和衬管外壁之间的残余接触压力呈线性增大趋势。随着初始间隙的增大,基管内壁和衬管外壁的回弹量之差逐渐减小,管壁之间的残余接触应力逐渐下降。随着衬管壁厚的增大,基管内壁和衬管外壁的回弹量之差稍有减小,管壁之间的残余接触应力略有增加。而基管和衬管之间的摩擦条件对复合管的变形、回弹和残余接触应力影响较小。残余接触应力和回弹作为试验指标,对胀形压力、初始间隙、衬管壁厚三个影响因素进行正交试验分析,可知残余接触应力的影响因素的主次顺序依次为胀形压力、衬管壁厚、初始间隙;回弹的影响因素主次顺序依次是胀形压力、初始间隙、衬管壁厚。最后综合考虑残余接触应力和回弹两个评价指标,确定胀形压力为170MPa、初始间隙为2mm、衬管壁厚为3mm为最优工艺参数组合。
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