隨著中國鈦工業(yè)的迅速崛起，鈦及鈦合金材料在海洋船舶、油氣工程、電站等民用領(lǐng)域應(yīng)用越來越多。鈦及其合金由于具備重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐熱性能好、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此特別適合應(yīng)用在高強(qiáng)、耐腐蝕環(huán)境中，如海水淡化、石油天然氣集輸管道等。

 

目前，大口徑鈦管主要以無縫管為主，但受鈦無縫管加工工序多、生產(chǎn)周期長、效率低、成本高等因素的制約， 使得其應(yīng)用受到限制。而鈦焊管生產(chǎn)效率和成材率高，且鈦焊管脹管、彎曲等性能與無縫管相近，因此國內(nèi)外鈦焊管的用量在逐年增加。我國目前已經(jīng)具備了小口徑薄壁鈦焊管的生產(chǎn)能力，且工藝比較成熟。但對(duì)于直徑大于 50mm、壁徑比小于 2%的鈦焊管，國內(nèi)的相關(guān)研究還相對(duì)較少。目前，鈦焊管主要以直焊縫焊管生產(chǎn)為主，通常是將裁切好的鈦板卷經(jīng)多道次輥彎成型，再經(jīng)連續(xù)焊接得到。

 

近年來，隨著計(jì)算機(jī)以及有限元技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的工程問題已經(jīng)開始借助有限元方法進(jìn)行處理。有限元結(jié)構(gòu)分析技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的很完善，數(shù)值成形優(yōu)化技術(shù)也得到很大發(fā)展。國內(nèi)外許多高校以及相關(guān)企業(yè)對(duì)輥彎成形技術(shù)進(jìn)行了大量研究[4]。王仕杰等利用 Marc 軟件對(duì) ERW 直縫焊管的排輥成型過程進(jìn)行模擬，獲得了成型管坯形狀；徐興平等用 ANSYS 軟件對(duì) ERW 焊管成型建模，分析了材料在輥彎成型過程中的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)應(yīng)變等數(shù)據(jù)；Walker、G.Palumbo 等使用非線性有限元軟件 ABAQUS 對(duì)直縫焊管的成型應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了分析, 通過計(jì)算建立了預(yù)報(bào)焊管成型過程的邊緣失穩(wěn)模型, 并得到調(diào)整軋機(jī)參數(shù)的依據(jù)。

 

從上述內(nèi)容可知，目前關(guān)于焊管的成型研究主要集中在鋼鐵材料、輥彎成型工藝過程設(shè)計(jì)、回彈機(jī)理方面的研究，對(duì)于大口徑鈦及鈦合金材料、輥彎成形數(shù)值建模方法以及輥彎工藝優(yōu)化方面的研究相對(duì)較少。

 

本文以某海水淡化用鈦焊管為例，借助有限元仿真軟件 Abaqus/Explicit 研究了鈦焊管輥彎成形數(shù)值建模方法并對(duì)成型工藝進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合輥彎成型試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

 

1 有限元模型的建立

某海水淡化用鈦焊管結(jié)構(gòu)，如圖 1 所示。采用多道次輥彎成形技術(shù)對(duì)該焊管進(jìn)行輥彎成形，輥彎機(jī)組包括 7 套成型機(jī)架和 3 套定徑整形機(jī)架，成型變形過程主要由成型機(jī)架完成，定徑整形機(jī)架起矯直穩(wěn)型作用。

 

 

圖1. 鈦焊管示意圖

 

幾何模型

有限元模型按實(shí)際生產(chǎn)物理模型進(jìn)行建模，物理模型通常比較復(fù)雜，如圖 2 所示，包括各種機(jī)架支撐結(jié)構(gòu)件、緊固件、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、軋輥等。相對(duì)于物理模型而言，有限元模型應(yīng)做簡化處理，模型中只需要給定和板坯成型相關(guān)的部件即可。

 

 

 

 

圖2. 輥彎物理模型

 

如圖 3 所示，采用 Abaqus 前處理模塊建立鈦焊管輥彎成形仿真模型。簡化有限元仿真模型，在有限元模型中只需要建立與板坯發(fā)生接觸的部件，即 7 套成型機(jī)架軋輥和 3 套定徑整形機(jī)架軋輥，以及板坯和板坯送料夾具。為提升求解經(jīng)濟(jì)性，通常將軋輥、夾具等部件設(shè)置為剛體，模型中將板坯設(shè)置為變形體，且采用殼單元。

 

 

圖3. 輥彎成形有限元模型

 

本文中板坯材料采用 TA2 純鈦，該材料具備優(yōu)異的塑性以及良好的冷加工性，同時(shí)還兼具良好的抗腐蝕能力，因此能很好的滿足特定環(huán)境下管類零件成型和防腐等方面的要求。TA2 材料的力學(xué)性能參數(shù)如表1 所示。

 

表1. TA2材料力學(xué)性能

 

 

1.2 邊界條件

本文中鈦焊管輥彎數(shù)值仿真模型中的邊界條件主要指軋輥、板坯以及板坯夾具三者之間的接觸、摩擦以及運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

 

1.2.1 接觸及摩擦關(guān)系處理

鈦焊管輥彎成形是板坯在多組軋輥的擠壓、彎曲作用下連續(xù)變形并最終形成產(chǎn)品的過程。隨著各組軋輥與板坯之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的變化，軋輥與板坯間的接觸區(qū)域成非線性變化，接觸條件復(fù)雜。本文中，板坯、板坯夾具、軋輥三者之間均采用罰函數(shù)摩擦模型進(jìn)行處理[10]。

 

1.2.2 運(yùn)動(dòng)關(guān)系處理

在圖 3 中，分別建立了板坯、夾具、成型軋輥、定徑整形軋輥四種部件。其各種部件在運(yùn)動(dòng)關(guān)系處理上各有差異。在數(shù)值仿真模型中，夾具的主要作用是使板坯在進(jìn)入軋輥前獲得一個(gè)沿著送料方向的初速度，使板坯能順利進(jìn)入軋輥。因此，夾具的運(yùn)動(dòng)加載條件只需要給定沿送料方向的運(yùn)動(dòng)初速度即可，而板坯本身不需要再額外施加約束條件。

 

對(duì)于成型機(jī)架和定徑整形軋輥，其主要作用是使板坯在經(jīng)過軋輥時(shí)，根據(jù)軋輥孔形的變化，實(shí)現(xiàn)彎曲變形。每組主機(jī)架軋輥通常由主動(dòng)軋輥和從動(dòng)軋輥組成。主動(dòng)軋輥靠電機(jī)及減速系統(tǒng)提供動(dòng)力，而從動(dòng)軋輥根據(jù)軋輥與板坯之間摩擦力的變化被動(dòng)旋轉(zhuǎn)。對(duì)于主動(dòng)軋輥，運(yùn)動(dòng)加載條件施加繞軸線的角速度；從動(dòng)軋輥，則釋放繞軸線的角速度自由度。

 

1.3 工藝參數(shù)

本文中工藝參數(shù)主要涉及輥花、軋輥轉(zhuǎn)速、軋輥尺寸、機(jī)架間距等。軋輥轉(zhuǎn)速由電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)定，本文將轉(zhuǎn)速設(shè)定為：20 r·min-1。

 

1.3.1 輥花

鈦焊管輥花圖通常由多個(gè)道次組成，根據(jù)各個(gè)道次輥花形狀的變化實(shí)現(xiàn)焊管的最終成形。在圖 4 中，輥花分為 10 個(gè)道次，前 1～7 道次承載主要的變形過程，8～10 道次主要起定徑整形作用。

 

 

圖4. 鈦焊管輥花圖

 

1.3.2 機(jī)架間距

表 2 中給出了鈦焊管的兩種機(jī)架間距方案，方案 2 相比于方案 1 將原 5-10 道次機(jī)架間距由 1400 調(diào)整為 700，各道次之間間距更小，目的是使成形過程更加平順，減小回彈。

 

表2. 機(jī)架間距

 

 

為了研究兩種方案的成形性，對(duì)兩種方案做了數(shù)值仿真對(duì)比分析，如圖 5 所示。以第 7 道次成型結(jié)果為例，對(duì)比圖 5a 和圖 5b 可知，兩種方案的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變分布在數(shù)值上差異較小，分布情況也比較均勻一致；從圖 5c 和圖 5d 中兩種方案的等效塑性應(yīng)變分布情況可以看出，方案 1 在管坯端部存在回彈大、局部扭曲嚴(yán)重的問題；方案 2 有均衡的應(yīng)力水平和應(yīng)變水平，成型效果更好。綜上，采用縮短機(jī)架間距的方式可有效控制鈦焊管成型的回彈，使成型更加穩(wěn)定。

 

 

圖5. 兩種方案應(yīng)力應(yīng)變分布

 

1.3.3 軋輥尺寸

軋輥尺寸主要用來控制前后機(jī)架之間的轉(zhuǎn)速比。普通的的輥彎生產(chǎn)線大多采用一帶多（即一臺(tái)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)多臺(tái)機(jī)架）的方式進(jìn)行生產(chǎn)，想要調(diào)整前后機(jī)架之間的轉(zhuǎn)速比，通過調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速通常比較困難。因此，很多情況下都是通過調(diào)整前后機(jī)架軋輥的尺寸比來達(dá)到改變轉(zhuǎn)速比的目的。選擇合適的轉(zhuǎn)速比對(duì)成形質(zhì)量至關(guān)重要。

 

圖 6 所示為兩組機(jī)架軋輥的運(yùn)動(dòng)示意圖，在軋輥的作用下，板坯沿著送料方向運(yùn)動(dòng)。從上文（圖 3）可知，Rn 和 Rm 為主動(dòng)輥半徑，前后兩組機(jī)架轉(zhuǎn)速比通過兩主動(dòng)軋輥半徑即可確定。

 

 

圖6. 軋輥運(yùn)動(dòng)示意圖

 

速比的取值對(duì)成形的板型控制至關(guān)重要，不當(dāng)?shù)乃俦热≈悼赡茉斐砂逍蛷澢?、扭曲等缺陷。本文速比取值?/span> 1.005（Rn 略大于 Rm），板坯處于微張力狀態(tài)，板坯成型較好。

 

仿真分析與試驗(yàn)研究

應(yīng)力應(yīng)變分布

上文圖 5 中已經(jīng)給出了鈦焊管輥彎成型應(yīng)力應(yīng)變云圖分布情況，板坯在成形過程中，其應(yīng)力應(yīng)變主要集中在邊緣處?？紤]到鈦焊管輥彎成型主要影響因素為機(jī)架間距，成型主要缺陷為板坯在成型過程中邊緣產(chǎn)生邊浪和鼓包，因此在數(shù)值仿真中有必要對(duì)板坯邊緣部分節(jié)點(diǎn)的受力和變形情況進(jìn)行分析。分別選取表 2 中兩種方案對(duì)模型中板坯邊緣出的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力和應(yīng)變情況進(jìn)行分析，如圖 7 所示。

 

 

圖7. 節(jié)點(diǎn)位置

 

從圖 8 中兩種模型的在節(jié)點(diǎn) A 處的應(yīng)力應(yīng)變分布曲線可以看出，間距為 700 的模型整體應(yīng)變和應(yīng)力水平相對(duì)較低，成型抗力相對(duì)較小，成型穩(wěn)定性更好。板坯在成型過程中，邊部在縱向上主要受拉壓作用。當(dāng)邊部縱向拉伸發(fā)生屈服而使材料變形伸長，板坯在進(jìn)入下一道軋輥時(shí)受軋輥?zhàn)枇ψ饔?，板坯在拉壓作用下發(fā)生失穩(wěn)，從而造產(chǎn)生鼓包。

 

從圖 8a 中也能看出，節(jié)點(diǎn) A 應(yīng)力呈鋸齒狀分布，表明了板坯在成型時(shí)的拉壓狀態(tài)。在 0s～100.3s（1～7 組成型輥工作）時(shí)，成型峰值應(yīng)力呈逐漸遞減趨勢，板坯成型由高抗力向低抗力轉(zhuǎn)變。在 100.3s～205s（8～10 組定徑整形輥工作）時(shí)，板坯成型應(yīng)力和應(yīng)變逐漸趨于穩(wěn)定，說明板坯在此階段已完成預(yù)成型，塑性變形抗力的影響已經(jīng)較弱。

 

 

圖8. 節(jié)點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變曲線

 

2.2 試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證數(shù)值仿真模型的可靠性，根據(jù)不同的試驗(yàn)工藝參數(shù)分別建立了不同的輥彎成型數(shù)值仿真模型，各試驗(yàn)和仿真的結(jié)果對(duì)比如圖 9 所示。

 

在圖 9a 中，采用 1400 機(jī)架間距進(jìn)行試驗(yàn)和模擬，在第 7 道次后均出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象；圖 9b 和 9c 為采用700 機(jī)架間距所得的試驗(yàn)和仿真結(jié)果，不管是回彈效應(yīng)還是成型過程，兩者一致性較高。不管是成型缺陷的模擬還是工藝方案的修正效果對(duì)比，數(shù)值模擬都能很好的反應(yīng)試驗(yàn)情況。通過對(duì)比分析，驗(yàn)證了輥彎成型數(shù)值仿真模型用于鈦焊管成型的可行性，表明了鈦焊管輥彎成形工藝參數(shù)的合理性，該輥彎成形數(shù)值仿真模型可以用于指導(dǎo)鈦焊管實(shí)際生產(chǎn)。

 

 

圖9. 試驗(yàn)與仿真對(duì)比

 

結(jié)論

1）本文通過輥彎成形數(shù)值仿真分析，明確了輥彎機(jī)架間距對(duì)鈦焊管成型的影響。

2）分析了鈦焊管在輥彎成形過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，鈦焊管在成形過程中邊緣處易受拉壓作用而發(fā)生失穩(wěn)，從而引起邊浪、鼓包等缺陷。

3）通過試驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比分析，驗(yàn)證了本文所述輥彎成型數(shù)值模型用于鈦焊管輥彎成型的的可靠性。

資料來源：達(dá)索官方