波紋管成形過程的數值模擬

楊東 倪洪啟

摘要：波紋管的成形是管坯在壓縮和彎曲的應力下的彈塑性變形，變形過程既有材料非線性還有幾何非線性，變形過程較為復雜，同時也會引起管坯的回彈、破裂等問題。該文通過有限元軟件ANSYS，仿真分析波紋管的成形過程，模擬出波紋管成形過程中應力分布情況以及波紋管的成形極限，為指導和優化成形工藝提供重要的分析依據。

關鍵詞：波紋管；數值模擬；成形過程；ANSYS

波紋管成形方式有液壓成形、機械成形和焊接成形等多種方式，本文研究波紋管液壓成形的數值模擬。波紋管液壓成形是把管坯放入模具內，將液體充入管坯空腔中，然后液壓機壓縮管坯里面的液體，使管坯的部分直徑脹大，最后貼靠模具得到需要的波紋尺寸和形狀[1]。

波紋管的成形過程是一個大撓度、大變形的塑性變形過程，管坯在拉伸和彎曲的復雜應力狀態下的塑性流動、塑性強化問題[2]。波紋管的成形過程是一個復雜的多體接觸的力學分析問題，要比較精確地解決成形過程中大位移大變形的彈塑性問題，就要考慮材料非線性、幾何非線性和邊界非線性的影響，來解決波紋管成形過程中的應力應變分析。

1. ANSYS模擬波紋管成形過程

1.1.模具的簡化

由于波紋管的結構和受力都具有軸對稱性，因此在對波紋管進行受力分析過程中對成形模具要進行適當的簡化，不考慮模具在力和約束下的形變，不考慮模具和管坯之間受到的接觸應力，把模具簡化為波紋管狀的不銹鋼管套。

1.2.波紋管的參數和單元選擇

用有限元方法分析管坯受到的力和約束，首先要選擇計算模型和單元類型，計算模型采用平面軸對稱模型、三維實體模型等，單元可以采用軸對稱單元和梁單元，也可以采用空間殼單元來分析管坯的應力應變情況。

3.結果討論

3.1.波紋管的成形屬于彈塑性變形，分析其強度不宜采用屈服強度為界限，應該采用材料的極限強度，波紋管的有效應力應小于材料的極限強度。

3.2.在曲率半徑較大的兩側等效應力較小，在曲率半徑較小的兩側出現應力集中。當應力值超過管坯材料的極限強度時，波紋管將在該區域的表面開裂[5]。

3.3.采用ANSYS有限元分析可以模擬出波紋管成形過程中，應力應變分布情況、壓縮位移以及成形后波紋管的幾何尺寸等。能夠為生產加工過程中波紋管實際成形提供指導，為波紋管模具的設計制造提供可靠的依據。

參考文獻：

[1]宋林紅，黃乃寧，林國棟等.CAE在波紋管成形數值模擬中的應用[J].管道技術與設備.2010（04）：35-37.

[2]曹寶璋，陳永忠，俞彬等.金屬波紋管成型方法的分析與比較[J]. 管道技術與設備. 2001（02）：11-15.

[3]劉巖，段玫，張道偉.波紋管應力分析研究進展[J].管道技術與設備.2006（04）：31-36.

[4]楊義俊， 王心豐.多層波紋管非線性有限元應力分析[J]. 壓力容器， 2003， 20（ 9）： 13-16.

[5]尹飛，高寶奎，張進等.油井堵漏可膨脹波紋管的有限元分析[J].石油機械.2012（05）：66-69.

作者簡介：

楊東（1986—），漢，男，湖北武漢人，碩士研究生，主要從事機電一體化方向的研究。

倪洪啟（1967—），漢，男，遼寧沈陽人，副教授，博士，主要從事機械自動控制系統及機械CAD、CAM、CAE等方向的教學與科研。