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哈爾濱技術(shù)學(xué)會(huì)日?qǐng)?bào)（新系列）
發(fā)電站水煮容器中的彎曲管所用的有限元素和實(shí)驗(yàn)分析
賴一楠 于浩楠 劉獻(xiàn)禮 于延民
(哈爾濱科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 力量工程系 中國哈爾濱 150080 郵箱 laiyinan@hrbust.edu.cn)
摘要：聯(lián)合計(jì)算機(jī)模擬、理論上的分析和實(shí)驗(yàn)為發(fā)電站水煮容器中的彎曲管提供程序 FEM-數(shù)字模擬系統(tǒng)被建立體現(xiàn)在制造程序中扮演重要角色的寒冷的彎曲管，比如橢圓度，壁厚和設(shè)備的驅(qū)動(dòng)力比. 實(shí)驗(yàn)在哈爾濱煮器工廠進(jìn)行.FEM模型的參數(shù)能為彎曲管的程序模擬力量和質(zhì)量叁數(shù)且錯(cuò)誤是在5%以內(nèi),實(shí)驗(yàn)已經(jīng)示范了達(dá)成這一個(gè)系統(tǒng)的結(jié)果以及更有用和更經(jīng)濟(jì)的超過試驗(yàn)的那些生產(chǎn)方法．它大量使用計(jì)算機(jī)模擬減少生產(chǎn)費(fèi)用,效果比許多實(shí)驗(yàn)要好
主要文字: 冷的彎曲管;FEM;橢圓度;稀薄比;
CLC數(shù);TG386.43 文件密碼A 文章地址1005-9113(2008)02-0198-04
彎曲管的方法已經(jīng)廣泛地被應(yīng)用在煮器和壓力船制造業(yè)的領(lǐng)域中．汽車工業(yè)、航空，航空宇宙制造業(yè)，船舶制造業(yè)等等．以上研究有顯示彎曲過程的寒冷能提高其降低強(qiáng)度的20 ％一 30％的力量．以及收據(jù)控制的成熟技術(shù)使它自然成為使用彎區(qū)控制的寒冷工作母體
然而，彎曲管的程序非常復(fù)雜，因此,計(jì)劃的程序以分析的解決為基礎(chǔ)．傳統(tǒng)的錯(cuò)誤法方法不能夠解決生產(chǎn)的需要以及可能引起在時(shí)間和財(cái)務(wù)上的浪費(fèi),隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展和 FEM 方法．我們大量地使用復(fù)雜的程序分析的通常軟件是能實(shí)現(xiàn)的. 軟件 ANSYS 用來模擬那寒冷的管彎曲程序．彎曲模擬制度的圓形管被建造為了要預(yù)測(cè)被驅(qū)動(dòng)力而且有效地形成質(zhì)量高的設(shè)備，像橢圓度，墻壁的稀薄比．我們也已經(jīng)給實(shí)驗(yàn)的確認(rèn)．
1 冷彎曲程序的摘要
經(jīng)常地有三管彎曲方法：推動(dòng)方法，磨擦方法和繪圖方法。繪圖方法在圖1中顯示
風(fēng)扇形狀的模子是通過十字架形狀的鑰匙替換和固定在設(shè)備上的, 固定的螺鉗被螺絲固定在風(fēng)扇形狀的模子上而且通過螺絲鉗連接可動(dòng)裝置．然后管的末端旋轉(zhuǎn)的限制位置和所有的其他模子的替換來實(shí)現(xiàn)寒冷管的彎曲。
圖1，管彎曲的過程
質(zhì)量是最重要的一項(xiàng)評(píng)估彎曲管的程序．通常，非理想毀壞在彎曲之后發(fā)生了。 (如圖2所示)
圖2，管彎曲的形狀
管的外側(cè)面m-m面以為外部的拉力而變薄，此時(shí)管的內(nèi)部側(cè)壁n-n由于彎曲程序而根據(jù)壓力變薄，R是設(shè)計(jì)彎曲半徑，是被設(shè)計(jì)了的管的外部直徑，這部分圖表表示了這部分形狀從圓形到橢圓型，以及墻壁的厚度的不均勻，A是橢圓部分的長軸，B是短軸，S是理想的墻壁厚度，而且S是最小量，S是最大值，橢圓度a=（A—B）/X 橢圓比b=（S—S1）/S,厚度比C=(S2—S)/S
隨著煮器的功能的提高，彎管接頭的能否符合更高的要求以及設(shè)備是否在受驅(qū)動(dòng)力下充分旋轉(zhuǎn)是一個(gè)很重要的問題，我們盡可能的預(yù)測(cè)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)力來達(dá)到高質(zhì)量和效率，我們可以制造更好的產(chǎn)品來獲得更高的利益
2 模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
冷彎曲過程是最復(fù)雜的包括大的塑性破壞，大的位移，非線形連接的分析，所以我們使用ANSYS軟件和它的非線性分析方法建立一個(gè)圓形管道彎曲模擬系統(tǒng)來有效的預(yù)測(cè)驅(qū)動(dòng)力和成型質(zhì)量
2．1預(yù)加工：模型
考慮模型的結(jié)構(gòu)的對(duì)稱、負(fù)荷和限制，我們建造分析模型減少了一半的計(jì)算時(shí)間．而且APDL 參數(shù)設(shè)計(jì)語言用來輸入尺寸和和材料的參數(shù)，確認(rèn)哪個(gè)是可以再次使用的記錄文件，幾何學(xué)的模型如圖3顯示
圖3，管彎曲的幾何學(xué)模型
在FEM模式下，PLANE42是用來描述管道的部分，VISCO107用來描述銷售的塑料管道進(jìn)行大量的破壞性分析，與管道比較，風(fēng)扇形狀的模子的破壞，固定的螺絲鉗和可動(dòng)加緊裝置是比較小的可以忽略不計(jì)，所以我們拿硬的或者軟的管子用ANSYS來分析連接模型，我們使用三個(gè)雙向連接，扇型模子的表面是目標(biāo)元素，TARGE170，管子的附加聯(lián)絡(luò)元素是CONTA173，表面的位置是TARGE170，模子表面的夾緊是TARGE170， 連接硬件可達(dá)到0.65在理論上0.01到100就可以得到很好的精密和很高的效率
2.2 解決;應(yīng)用負(fù)荷
在彎曲管的模擬程序中,大的非線性塑性破壞已經(jīng)被N-R方法解決,而且多步驟的負(fù)荷控制大的破壞,有人預(yù)言,自動(dòng)過程將被加速應(yīng)用,飛行員也用來控制身體的運(yùn)動(dòng),我們強(qiáng)迫管子的移動(dòng)然后代替斜坡夾緊的模子,再旋轉(zhuǎn)之后,一個(gè)卸貨步驟被執(zhí)行去掉夾緊和空隙
2.3繼續(xù)加工:得到結(jié)果
在計(jì)算合成之后,解決問題需要以下步驟:
1） 動(dòng)態(tài)的展示彎曲管的過程：由于這個(gè)功能，我們可以動(dòng)態(tài)的展示管的彎曲過程，并且將其儲(chǔ)存，我們可以只選擇管子而不是模子以便更清楚的觀察管子的破壞，
2） 得到模子的作用反力，在POST26中解決模子的作用反力可以幫助我們得到模子的瞬間受力情況，推力大小，和移動(dòng)加緊力的大小。
3） 計(jì)算質(zhì)量參數(shù)：薄的切片可以幫助我們得到部分的毀形狀，在任何位置可以畫出壓緊力和變形，我們也可以使用幾何方法檢查來得到每個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，然后計(jì)算質(zhì)量參數(shù)，比如墻壁厚度，橢圓比，變稀比，厚度比等等
3 實(shí)驗(yàn)和模擬之間的比較
為了實(shí)驗(yàn)FEM的模擬系統(tǒng)的精確程度，實(shí)驗(yàn)被安排在了哈爾濱煮沸工廠用兩種管子來做：
管 A：直徑 168 毫米，墻壁的厚度30 毫米，彎曲半徑 400 毫米，材料 20 G
管 B：直徑 141 毫米，墻壁的厚度25毫米，彎曲半徑 350 毫米，材料 20 G
3．1比較模子的作用力
來自模擬的管 A 和 B 的瞬間彎曲被顯示在圖4中
圖4，彎曲時(shí)刻的圖表顯示
載入程序時(shí)間在2點(diǎn)，完成時(shí)間在6點(diǎn)，卸載程序時(shí)間從6點(diǎn)到7點(diǎn)，從每一條單一的曲線上我們能可以看到彎曲的時(shí)刻從一開始很快增加到一個(gè)很高的水平，然后彎曲的的增長開始變慢，這就使得主要的壓力分界點(diǎn)集中在彎曲的初始階段，而且這與（6）中的判斷一致，每條曲線最大彎曲時(shí)刻出現(xiàn)在最大破壞處，這個(gè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)者的預(yù)測(cè)一致。這很清楚的表明管A比管B需要更高的驅(qū)動(dòng)力，這個(gè)結(jié)果使我們可以更適當(dāng)?shù)膩戆才旁O(shè)備。
3.2管彎曲質(zhì)量的比較
模擬管A和管B的橢圓度在圖5中顯示
圖5，橢圓度的圖表
很明顯是1800的彎曲管最大橢圓度不是我們通常想象的在90°上，而且真正的連接位置對(duì)彎曲半徑是一個(gè)擴(kuò)充，模擬錯(cuò)誤是在不同的模擬實(shí)驗(yàn)中占的百分比不同，表1顯示了個(gè)部分的比較。
外部墻壁的變薄是最嚴(yán)重的缺點(diǎn)，通過模擬，我們可以預(yù)測(cè)變薄的位置，然后決定時(shí)候需要盡快改善，在圖6中顯示了整個(gè)管外部墻壁的變薄情況
表1 實(shí)驗(yàn)和模擬的橢圓度的比較
圖6，變薄比的圖表
從中我們可以看到管最初的彎曲部分已經(jīng)在壓力的作用下發(fā)生了大的塑性破壞。表2展示了模擬和實(shí)驗(yàn)之間變薄的對(duì)比情況
表2，實(shí)驗(yàn)和模擬的變薄比的對(duì)比情況
。
FEM參數(shù)的模型在這此建立，可以模擬管的彎曲力和質(zhì)量參數(shù)誤差在5％內(nèi)，考慮到獲得數(shù)據(jù)和真正因素的沖擊的簡(jiǎn)單方法，我們可以接受和使用它因?yàn)樵O(shè)備的表現(xiàn)和質(zhì)量預(yù)測(cè)能獲得比實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)更高效的結(jié)果。
4 管的彎曲上的進(jìn)一步研究
FEM的數(shù)字模擬不僅能預(yù)測(cè)設(shè)備的功能和彎曲管的過程質(zhì)量，而且可以也可以發(fā)現(xiàn)一些程序影響因素，這會(huì)幫助我們將程序做到最好來采取改善的措施，然后我們將討論最佳的回轉(zhuǎn)速度和背面的推力
4．1 回轉(zhuǎn)速度的沖擊
金屬的塑性破壞一定伴隨著速度的破壞，所以回轉(zhuǎn)速度關(guān)系到管子的彎曲質(zhì)量，我們將彎曲不同速度下的相同管子 ：0.4 rad／s，1.0 rad／s 和 1.6rad／s 比較他們的橢圓度 其結(jié)果顯示在圖7中
圖7，不同回轉(zhuǎn)速度下的橢圓比
顯然我們使用越高的速度，使管變形的時(shí)間就會(huì)越短，這樣將不利于我們得到高質(zhì)量的管，這就建議我們減慢速度會(huì)有益與質(zhì)量，
4．2 背部力量的沖擊
在實(shí)際生產(chǎn)中，背部受力總是可以得到更好的質(zhì)量，在這里來模擬，（如圖8所示）
我們能見到在管的最后使用了大的推力，我們就會(huì)得到更高的質(zhì)量，但是這個(gè)影響不是很顯著，在模塊化的模擬中我們已經(jīng)忽略了可逆破壞結(jié)構(gòu)的影響，如果這個(gè)結(jié)構(gòu)被采取，正如當(dāng)真正生產(chǎn)時(shí)，材料會(huì)流動(dòng)到結(jié)構(gòu)的縫隙中，這會(huì)非常有益于質(zhì)量參數(shù)，除此之外，在推力被應(yīng)用以后，回轉(zhuǎn)的時(shí)間就會(huì)大大減小，那對(duì)大管的彎曲是很重要的。
圖8，不同推力下的橢圓比的比較
5 結(jié)論
一個(gè)FEM數(shù)字模擬系統(tǒng)的建立可以展示冷管的彎曲，比如橢圓比，側(cè)壁的變薄比和設(shè)備的驅(qū)動(dòng)力，計(jì)算機(jī)將模擬計(jì)劃和使計(jì)劃被預(yù)測(cè)，與實(shí)際生產(chǎn)做比較，模擬的方法被證明比通過試驗(yàn)-生產(chǎn)的方法得到更高的效率和經(jīng)濟(jì)性。
參考：
（1） 羅模占駝羅（印度的一個(gè)神教，）松緊帶-塑性破壞的力學(xué)基礎(chǔ)預(yù)測(cè)在經(jīng)過一個(gè)側(cè)壁圓周的管的彎曲中，交易在印度的金屬學(xué)會(huì)進(jìn)行，2005，58 (2)：461—466
（2） 自應(yīng)力加工中的厚壁彎曲管，國際機(jī)械學(xué)會(huì)的記載2O04，46(11) 1675—1696．
（3） 貝克.海德。幾何學(xué)在攀爬900的失敗中具有影響力，用開始的狀態(tài)給彎曲管增壓了，國際壓力管道，2005，82，（7）：509-16
（4） 賴一喃 張光欲 于好喃 。數(shù)字的模擬和旋轉(zhuǎn)的彎曲管的最佳設(shè)計(jì) 提供了材料和技術(shù)。2008。10-12：172-176。
（5） 魏施 彎曲管的做圖制造技術(shù)的數(shù)字分析，力量工程學(xué)。2003，19（4）：89-92
（6） 胡中，對(duì)當(dāng)?shù)氐挠酶袘?yīng)加熱一個(gè)大的半徑厚壁管的彎曲進(jìn)行研究。中國機(jī)械工程。1998，9（3）：19-22。
接收 2006-05-07
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