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、強度高、耐腐蝕、耐熱性能好、可靠性強等特點，因此特別適合應(yīng)用在高強、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，隨著計算機以及有限元技術(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)對輥彎成形技術(shù)進行了大量研究[4]。王仕杰等利用 Marc 軟件對 ERW 直縫焊管的排輥成型過程進行模擬，獲得了成型管坯形狀；徐興平等用 ANSYS 軟件對 ERW 焊管成型建模，分析了材料在輥彎成型過程中的節(jié)點應(yīng)力、節(jié)點應(yīng)變等數(shù)據(jù)；Walker、G.Palumbo 等使用非線性有限元軟件 ABAQUS 對直縫焊管的成型應(yīng)力應(yīng)變進行了分析, 通過計算建立了預(yù)報焊管成型過程的邊緣失穩(wěn)模型, 并得到調(diào)整軋機參數(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、回彈機理方面的研究，對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)值建模方法并對成型工藝進行優(yōu)化，結(jié)合輥彎成型試驗對仿真結(jié)果進行了驗證。

 

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)對該焊管進行輥彎成形，輥彎機組包括 7 套成型機架和 3 套定徑整形機架，成型變形過程主要由成型機架完成，定徑整形機架起矯直穩(wěn)型作用。

 

 

圖1. 鈦焊管示意圖

 

幾何模型

有限元模型按實際生產(chǎn)物理模型進行建模，物理模型通常比較復(fù)雜，如圖 2 所示，包括各種機架支撐結(jié)構(gòu)件、緊固件、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、軋輥等。相對于物理模型而言，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 套成型機架軋輥和 3 套定徑整形機架軋輥，以及板坯和板坯送料夾具。為提升求解經(jīng)濟性，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、摩擦以及運動關(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運動的變化，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)摩擦模型進行處理[10]。

 

1.2.2 運動關(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。其各種部件在運動關(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入軋輥前獲得一個沿著送料方向的初速度，使板坯能順利進入軋輥。因此，夾具的運動加載條件只需要給定沿送料方向的運動初速度即可，而板坯本身不需要再額外施加約束條件。

 

對于成型機架和定徑整形軋輥，其主要作用是使板坯在經(jīng)過軋輥時，根據(jù)軋輥孔形的變化，實現(xiàn)彎曲變形。每組主機架軋輥通常由主動軋輥和從動軋輥組成。主動軋輥靠電機及減速系統(tǒng)提供動力，而從動軋輥根據(jù)軋輥與板坯之間摩擦力的變化被動旋轉(zhuǎn)。對于主動軋輥，運動加載條件施加繞軸線的角速度；從動軋輥，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、機架間距等。軋輥轉(zhuǎn)速由電機和傳動系統(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道次組成，根據(jù)各個道次輥花形狀的變化實現(xiàn)焊管的最終成形。在圖 4 中，輥花分為 10 個道次，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 機架間距

表 2 中給出了鈦焊管的兩種機架間距方案，方案 2 相比于方案 1 將原 5-10 道次機架間距由 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. 機架間距

 

 

為了研究兩種方案的成形性，對兩種方案做了數(shù)值仿真對比分析，如圖 5 所示。以第 7 道次成型結(jié)果為例，對比圖 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（即一臺電動機帶動多臺機架）的方式進行生產(chǎn)，想要調(diào)整前后機架之間的轉(zhuǎn)速比，通過調(diào)整電機轉(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)速比對成形質(zhì)量至關(guān)重要。

 

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

 

 

圖6. 軋輥運動示意圖

 

速比的取值對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)值仿真中有必要對板坯邊緣部分節(jié)點的受力和變形情況進行分析。分別選取表 2 中兩種方案對模型中板坯邊緣出的節(jié)點應(yīng)力和應(yīng)變情況進行分析，如圖 7 所示。

 

 

圖7. 節(jié)點位置

 

從圖 8 中兩種模型的在節(jié)點 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)力水平相對較低，成型抗力相對較小，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，板坯在進入下一道軋輥時受軋輥阻力作用，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 A 應(yīng)力呈鋸齒狀分布，表明了板坯在成型時的拉壓狀態(tài)。在 0s～100.3s（1～7 組成型輥工作）時，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，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)點應(yīng)力應(yīng)變曲線

 

2.2 試驗研究

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

 

在圖 9a 中，采用 1400 機架間距進行試驗和模擬，在第 7 道次后均出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象；圖 9b 和 9c 為采用700 機架間距所得的試驗和仿真結(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比，數(shù)值模擬都能很好的反應(yīng)試驗情況。通過對比分析，驗證了輥彎成型數(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)鈦焊管實際生產(chǎn)。

 

 

圖9. 試驗與仿真對比

 

結(jié)論

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

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）通過試驗和仿真結(jié)果對比分析，驗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