JCOE壓彎力有限元分析與計(jì)算★

武于善，王永建，魏曉晉，劉寶勝，李 巖，張芳萍

（1.中鋼不銹鋼管業(yè)科技山西有限公司，山西 晉中030600；2.太原科技大學(xué)，山西 太原030024）

隨著科技進(jìn)步和生產(chǎn)工業(yè)的發(fā)展需要的不斷提升，管道運(yùn)輸成為制約工業(yè)發(fā)展的重要因素之一，各種極端惡劣的自然條件需要提供具有高耐腐蝕性、耐高壓、長(zhǎng)距離等優(yōu)良品質(zhì)的厚管徑焊管[1，2]。在傳統(tǒng)的管型成型方法中，JCOE相比較其他方式，具有成本小、工藝簡(jiǎn)單、可大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[3]。

目前，大多數(shù)研究對(duì)于JCOE成型工藝的壓彎力都缺少系統(tǒng)的介紹與說(shuō)明，導(dǎo)致無(wú)法明確壓彎力與撓度之間的關(guān)系[4]。在實(shí)際加工成型過(guò)程中，對(duì)于壓彎精度往往是通過(guò)工人的經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)定，大大降低了JCOE成型的準(zhǔn)確度[5]。因此，本文通過(guò)受力分析求得JCOE成型的壓彎力與撓度之間的關(guān)系，通過(guò)模擬軟件驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，為JCOE鋼管成型工藝提供理論依據(jù)。

1 JCOE成型過(guò)程力與撓度之間公式推導(dǎo)

在JCOE成型過(guò)程中，板材受力過(guò)程可以簡(jiǎn)化成集中力作用結(jié)果，這樣可以減少理論推導(dǎo)的復(fù)雜程度，方便計(jì)算壓彎過(guò)程中受到的力與撓度之間的關(guān)系。

假設(shè)板材在C成型后，它的彎曲半徑為，對(duì)應(yīng)的弧心角為，所以它的曲率比為：

式中：

在壓彎過(guò)程，板材受到的總變形曲率比為CZ。在確定總變形曲率比為CZ后，根據(jù)公式（3），可以求出彎曲力矩M：

式中：

根據(jù)力與彎矩之間的關(guān)系可以求出：

式中：l為支點(diǎn)與受力點(diǎn)之間的距離

根據(jù)公式（3）—（6），JCOE成型過(guò)程中壓彎力與成型后的撓度之間的關(guān)系，可以根據(jù)預(yù)成型的板材撓度，求出壓彎量力。

2 JCOE成型有限元模擬分析

在JCOE成型工藝過(guò)程中，可以將彎曲過(guò)程簡(jiǎn)化成一般三點(diǎn)壓彎模型。通過(guò)商業(yè)有限元分析軟件Abaqus對(duì)JCOE成型過(guò)程中的三點(diǎn)壓彎模型進(jìn)行分析處理。

原始板材屬性為普碳鋼Q235，詳細(xì)參數(shù)如下頁(yè)表1所示，成型后鋼管規(guī)格為Φ1 626 mm×10 mm，模具尺寸如下頁(yè)表2所示。

建立不同壓下量的JOCE模型進(jìn)行分析研究，分別為10 mm、15 mm、20 mm。材料模型設(shè)置為各向同性彈塑性材料，加工硬化模量取經(jīng)驗(yàn)值0.01E，模型如圖1所示。

表1 不銹鋼304板材的基本參數(shù)

表2 不銹鋼304板材的基本參數(shù)

圖1 JCOE成形壓彎模型

在單次JOCE成型過(guò)程中，板材對(duì)上模的反作用力相對(duì)較小，上模產(chǎn)生的變形可忽略不計(jì)。在Abaqus軟件中只對(duì)板材進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分格式為C3D8R：八結(jié)點(diǎn)線性六面體單元，減縮積分，沙漏控制。設(shè)置板材和模具之間為表面與表面接觸，其靜摩擦系數(shù)為0.35，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.25。下模保持固定，上模只允許Y軸方向運(yùn)動(dòng)。設(shè)置壓彎過(guò)程時(shí)間為1 s，保壓過(guò)程時(shí)間為1 s，上模在保壓后上升時(shí)間為0.1 s

3 有限元結(jié)果分析

圖2為JCOE成型后板材長(zhǎng)度方向在Y軸方向的位移量，從圖2中可以看出，當(dāng)1 s壓彎還后，隨著壓彎量的增大，板材的在Y軸的位移量逐漸變大且最大位移量分別為11.145 8 mm、16.257 1 mm、21.019 3 mm。從有限模擬軟件中提取上模的壓彎力為120 254 N、145 214 N、160 266 N，隨著壓彎量的增大，壓彎力也逐漸增大。根據(jù)公式（3）—（6），可以算出當(dāng)壓彎量為20 mm時(shí)，壓彎力為159 123.3 N，誤差在3%以內(nèi)，驗(yàn)證了公式的正確性。

圖2 JCOE成型后板材長(zhǎng)度方向在Y軸方向的位移量

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)JCOE成型過(guò)程工藝的研究，以經(jīng)典應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為依據(jù)推導(dǎo)出壓力與撓度之間的關(guān)系，使用Abaqus有限元軟件模擬Q235，型號(hào)Φ1 626 mm×10 mm的鋼管在不同壓彎量的彎曲過(guò)程。有限元模擬結(jié)果證明隨著壓彎量的增大，最后成型板材的撓度也越大，受到的壓彎力也逐漸變大，驗(yàn)證了理論公式的正確性，這一結(jié)果可以給優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)提供一定幫助，對(duì)生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。