U成型過程的有限元分析及刀片梁的結構優化

李新文

（寶山鋼鐵股份有限公司 鋼管條鋼事業部，上海 201900）

U成型過程的有限元分析及刀片梁的結構優化

李新文

（寶山鋼鐵股份有限公司 鋼管條鋼事業部，上海 201900）

為了避免UOE鋼管制造工藝中原有U成型機刀片梁突然失效導致長時間停機，需要設計、制造新的刀片梁替換原刀片梁。采用有限元法建立U成型過程模型，并根據U形筒的尺寸、刀片梁的受力狀態驗證模型的可靠性。根據驗證的模型，分析刀片梁的應力分布，優化刀片梁的結構，并驗證結構優化方案。根據優化方案改進刀片梁，經使用后發現刀片梁的應力分布得到明顯改善，大幅度地提高了刀片梁的結構可靠性。

U成型；刀片梁；有限元法；應力；應變；U成型機

Abstract:In case of long-term shutdown resulting from the sudden failure of original sword-like beam,the new one should be designed and manufactured to replace the original.The U-forming model was established by finite element method,and its reliability was verified in terms of the size of the U-shaped pipe and the stress state of the sword-like beam.According to the validated model,the stress distribution of the sword-like beam was analyzed，the structure of the sword-like beam was optimized，and the structural optimization scheme was verified.The sword-like beam was improved on the basis of the optimized scheme;after the new one came into service，online inspection showed the stress distribution of new sword-like beam was improved dramatically and its structural reliability was raised significantly.

Key words:U-forming;sword-like beam;finite element method;stress;strain;U-forming machine

1 U成型機基本情況概述

U成型機（以下簡稱U機）是寶山鋼鐵股份有限公司UOE焊管線的重要成型設備。UOE是U成型（U-forming）、O成型（O-forming）、擴徑（expanding）的縮寫。U機的主要作用是將經銑邊、預彎邊后的鋼板沿縱向中心線彎曲，使鋼板中部產生塑性變形，形成U形筒，獲得接近成品管曲率的U形筒底部彎曲形狀和較高的U形筒兩側對稱度。U成型過程中U機各部位的動作時序見表1，其U成型壓制過程如圖1所示。

刀片梁是U機重要的大型構件，規格為19 m× 2.5 m×0.1 m，制造難度大，制造周期長，價格高，更換難度大，更換占用的停機時間長。原有U機刀片梁結構及安裝如圖2所示。刀片梁在安裝后，類似于懸臂梁的結構，只有上部有液壓缸約束，左右、前后無約束，容易失穩。2013年1月采用貼應變片在線檢查U機刀片梁時，貼在

3號液壓桿的連接卡盤下T字形交界焊縫處的應變片在 U成型過程中應變值最大，為 0.057。并且該位置是刀片梁最薄弱的位置，接近刀片梁上最寬的焊縫處，如果焊縫出現裂紋，裂紋的深度將較大，擴展較快，修復比較困難，嚴重的話，只能緊急更換刀片梁，將導致長時間停機。為避免原有刀片梁的突然失效，有必要優化原刀片梁，需要分析刀片梁的應力分布，找到容易發生失效的位置，改進原結構。

表1 U成型過程中U機各部位的動作時序表

圖1 U成型壓制過程示意圖

圖2 原有U機刀片梁結構及安裝示意圖

文獻[1-6]對UOE彎邊、U成型、O成型、預焊及擴徑各個階段進行了有限元模擬。文獻[7-8]建立了UOE鋼管成型的仿真模型，以確定特定規格的最佳成型條件。文獻[9]采用三維有限元接觸模型計算了有預緊力的預彎機應力應變分布，評估了預彎機承載能力[9]。文獻[10-11]研究了UOE焊管U成型過程，摸索了U成型工藝模具與規格的匹配及參數設定。而對于類似U機的焊管成型機研究，陳正陽等對輥彎成型機的板料成型過程、機架的重要零件進行了有限元仿真分析[12]。

本研究采用有限元法在Abaqus平臺上建立U成型過程模型，對比U形筒的計算結果與現場實際尺寸、刀片梁的受力計算結果與PLC的壓力監控曲線，驗證構建的有限元模型的可靠性。采用驗證后的模型，分析刀片梁的應力狀態，找到應力最大值位置；在原結構的基礎上優化刀片梁結構，并用有限元法分析優化后的方案；制造并安裝根據優化方案設計的新刀片梁，在線檢測應變值以驗證最大應變值及其位置。

2 有限元模型建立及可靠性驗證

選用規格為X70 Φ762 mm×31.8 mm×18 m鋼管，建立三維有限元模型，并進行驗證。

2.1 有限元模型的假設及邊界條件

構建的有限元模型基于以下假設及邊界條件：

（1）模具、側向臺架、中間輥道設為解析剛體。刀片梁在模型驗證時設為剛體以加快計算速度，在刀片梁的應力狀態分析設為彈塑性體以計算刀片梁的應力場。

（2）鋼板屬性設為彈塑性材料，材料本構模型采用線性隨動硬化模型，根據實驗室數據得出的參數見表2。

表2 X70鋼板的材料參數

（3）鋼板的單元類型4節點線性減縮積分平面應變單元（CPE4R）。

（4）模具與鋼板的接觸采用主從接觸算法，摩擦類型為罰函數摩擦，摩擦系數0.1。

2.2 基于U形筒寬度的模型可靠性驗證

U形筒上部寬度和下部寬度是衡量U成型質量的重要指標。U形筒兩側均有一段未變形的直臂段，在端部橫截面上，即AB段和CD段。直臂段上面是預彎邊工序的變形區，下面是U成型工序的變形區；將U形筒外表面、直臂段上端左右兩側A和C之間的距離AC定為U形筒上部寬度，下端左右兩側B和D之間的距離BD定為U形筒下部寬度，如圖3所示。

圖3 U成型后U形筒寬度

構建的模型計算完成后，可得出U成型后U形筒各點的坐標，進而得出U形筒的寬度。在實際生產中，U形筒的寬度數據由激光測距儀測量，并把每根管子端部的上部、下部寬度測量值記錄在MES系統中。表3為U成型后上部和下部U形筒寬度的仿真值與實測值的對比。從表3可以看出，U形筒寬度計算值在實測值的區間范圍內，由此說明構建的模型計算結果可靠。

表3 U形筒寬度

2.3 基于刀片梁受力情況的模型可靠性驗證

構建的模型可計算出在U成型過程中刀片梁的豎直壓力，現場基礎自動化系統可不斷采集、記錄刀片梁液壓缸的實際壓力、刀片梁與側向臺架的實際位置。在計算過程中，模型的刀片梁與側向臺架的位置變化情況與實際情況保持一致。

圖4為U機刀片梁豎直壓力的實際值與有限元模型的計算值對比曲線。從統計學原理分析：采用雙樣本T檢驗，實際值的平均值、標準差分別是3 375、2 951，計算值的平均值、標準差分別是3 306、2 849；實際值與計算值的差值的 95%置信區間為（-593，729），區間包含零，表明兩組數據不存在差異；進行假設檢驗，檢驗統計量為0.20，p值為0.840，由于p值大于通常選擇的α水平（0.05），所以沒有證據證明這兩組數據有差異。因此，實際值與計算值這兩組數據之間可認為沒有差異，由此說明構建的模型計算結果可靠。

圖4 U機刀片梁豎直壓力的實際值與計算值對比曲線

從圖4可看出，U機刀片梁的豎直壓力最大值出現在刀片梁的下壓過程中（對應的刀片梁位置為581 mm，刀片梁位置最大值為1 063 mm），實際最大值為7 464 kN，計算最大值7 366 kN。

3 刀片梁的應力分析及結構優化

3.1 原有刀片梁的應力場分析

將經驗證后有限元模型中的刀片梁設為彈塑性體，采用 C3D8實體單元類型。刀片梁用Q345碳鋼材料焊接而成，相應的參數見表4[13]。

表4 U機刀片梁參數

刀片梁的失效形式以屈服為主，因此采用第四強度理論（等效應力理論）分析。U機刀片梁的豎直壓力出現最大值時如圖5所示。

圖5 U機刀片梁應力場的計算結果

計算結果分析如下：

（1）最大Mises等效應力360 MPa，出現在刀片梁與3號液壓桿的連接卡盤下的T字型交界焊縫，見圖5（a）；

（2）最大壓應力-592 MPa，與最大Mises等效應力出現的位置相同，見圖5（b）；

（3）最大拉應力263 MPa，出現在刀片梁與3號液壓桿的連接卡盤處的T字型上表面中心，見圖5（c）。

因此，計算結果與實測應力最大值出現的位置是對應的。從等效應力分布圖可以看出，在T字形交界焊縫處產生了嚴重的應力集中，而且此處的等效應力超出了Q345鋼的屈服強度345 MPa，存在強度不足現象。

3.2 刀片梁結構優化方案

根據以上分析結果，對刀片梁的結構進行優化，主要是將兩端焊接的矩形肋板改為直角三角形立肋板，并將厚度由20 mm增加到30 mm；為避免立肋板與T字形交界焊縫相互干涉，立肋板的直角倒R15 mm圓角；刀片梁與液壓桿的連接卡盤處的肋板上直角邊70 mm，下直角邊220 mm，如圖6中黃色小肋板；刀片梁兩端、相鄰卡盤之間的肋板上直角邊150 mm，下直角邊300 mm，如圖6中紅色大肋板。

圖6 優化后的刀片梁結構

3.3 結構優化后刀片梁的有限元分析結果

結構優化后的U機刀片梁應力場的計算結果如圖7所示。

圖7 結構優化后的U機刀片梁應力場的計算結果圖

計算分析結果如下：

（1）最大Mises等效應力297 MPa，出現在4號液壓桿的連接卡盤下中間小立肋板與水平板的交界處，見圖7（a）；

（2）最大壓應力-321.3 MPa，同最大Mises等效應力出現的位置，見圖7（b）；

（3）最大拉應力90.5 MPa，出現在2號液壓桿的連接卡盤下面的小立肋板倒圓孔邊角，見圖7（c）。

從計算結果看出，最大Mises等效應力比結構優化前降低，并在材料的屈服強度極限內；最大應力出現的位置均在小肋板與水平板或豎直板的焊縫處，即使出現裂紋也便于修復；因此，優化的方案是可以接受的。

根據結構優化方案制造的新刀片梁在裝機使用后，采用貼應變片的方式在線檢查，發現新刀片梁最大應變位置在4號液壓桿的連接卡盤下中間小立肋板與水平板的交界處，與新刀片梁的有限元模型分析結果一致，最大應變值為0.038，下降到原最大實測值（0.057）的67%；原刀片梁的最大應變位置（3號液壓桿的連接卡盤下T字型交界焊縫處）的最大應變值為 0.001，下降到原最大實測值（0.057）的1.6%。結果表明，優化效果明顯。

4 結論

（1）刀片梁是U機的重要構件，在線應力檢測過程中發現最大應力出現在刀片梁最薄弱的部位；需要分析刀片梁的應力分布，并制定相應的對策，以優化刀片梁的結構。

（2）對X70 Φ762 mm×31.8 mm×18 m規格鋼管的U成型過程，構建過程有限元模型，對比U形筒寬度的實際值與計算值、刀片梁豎直壓力的實際監控值與計算值，說明模型可靠。

（3）利用驗證后的模型對原有刀片梁的結構進行應力場分析，找到刀片梁最容易發生失效的位置，并優化原結構。

（4）利用有限元模型，對刀片梁結構的優化方案進行應力場分析，找到最容易發生失效的位置；計算結果表明，最大Mises等效應力降低到制造材料的屈服強度極限以內，而且未出現在不易修復的位置，優化方案切實可靠。

（5）按照優化方案制造刀片梁，對其進行在線測量，發現最大應變值出現的位置與有限元模型分析結果一致，而且比原刀片梁的最大應變值大幅降低。

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Finite Element Analysis of U-forming Process and Structural Optimization of Sword-like Beam

LI Xinwen
（Tube，Pipe and Bar Business Unit,Baoshan Iron&Steel Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China）

TE973

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.03.014

2016－12－21

編輯：李紅麗

李新文（1983—），男，工程師，碩士，主要從事材料加工方面的工作。