CN108491612A - 为复合管液压胀形工艺提供选材方案的有限元模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种为复合管液压胀形工艺提供选材方案的有限元模拟方法。本发明包括步骤(1)建立双金属复合管二维模型；(2)赋予双金属复合管模型外管和内管相应的材料属性；(3)将双金属复合管模型实例化；(4)建立分析步；(5)建立接触对；(6)施加载荷及边界条件；(7)划分网格；(8)创建相应的作业，并提交作业，进入分析模式；(9)在步骤(8)计算完成的基础上进入后处理模块，选取径向残余接触应力作为判断双金属复合管界面结合强度的指标，记录下对应的值；(10)返回步骤(2)，更改材料参数，然后直接进入步骤(8)和(9)，重复此步骤直至分析完所有的材料模型。本发明能大幅度减少研发周期，节约资源，减少成本。

Description

为复合管液压胀形工艺提供选材方案的有限元模拟方法
技术领域：
本发明涉及一种为复合管液压胀形工艺提供选材方案的有限元模拟方法，属于管道工程 计算机辅助设计技术领域。
背景技术：
液压胀形制备双金属复合管具有胀合均匀、无损伤、成本低、生产过程无污染等一系列 特点，但受到胀形工艺设备及管道自身尺寸等限制，通过实验来选材，面临成本高、周期长 等问题，使得该生产工艺受到了限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种为复合管液压胀形工艺提供选材方案的有限元模拟方法，采用 计算机辅助设计(CAE)技术，运用有限元手段来模拟双金属复合管的液压胀形过程，通过模 拟不同材料的复合管，获得双金属复合管的界面结合强度，指导实际生产的材料选择。该方 法能够大幅度减少研发周期，节约资源，减少成本。
上述的目的通过以下技术方案实现：
为复合管液压胀形工艺提供选材方案的有限元模拟方法，该方法包括如下步骤：
(1)建立双金属复合管二维模型；
(2)赋予双金属复合管模型外管和内管相应的材料属性；
(3)将双金属复合管模型实例化；
(4)建立分析步；
(5)建立接触对；
(6)施加载荷及边界条件；
(7)划分网格；
(8)创建相应的作业，并提交作业，进入分析模式；
(9)在步骤(8)计算完成的基础上进入后处理模块，选取径向残余接触应力作为判断 双金属复合管界面结合强度的指标，记录下对应的值；
(10)返回步骤(2)，更改材料参数，然后直接进入步骤(8)和(9)，重复此步骤直 至分析完所有的材料模型。
作为优选，所述步骤(1)中，取双金属复合管横截面的四分之一进行建立双金属复合管 二维模型，忽略轴向应力，采用平面应力模型进行模拟。
作为优选，步骤(2)中所述的赋予双金属复合管模型外管和内管相应的材料属性时将外 管设置为理想弹性材料，内管则根据材料的实际应力-应变曲线设置材料属性，对于外管，输 入材料的弹性模量值及泊松比；对于内管，首先输入材料的弹性模量及泊松比值，再进入塑 性模块输入塑性参数，包括塑性应力和应变。
作为优选，步骤(4)中所述的建立分析步的具体方法是：根据双金属复合管液压胀形工 艺特点，设置三个分析步：第一步，加载压力使内、外管间逐渐接触；第二步，保压一定时 间；第三步，卸载压力。
作为优选，步骤(5)中所述的建立接触对是指根据模型特点选择静态通用接触，设置外 管内表面为主面，内管外表面为从面，假设面与面间无切向摩擦，类型为有限滑移，建立接 触对。
作为优选，步骤(6)中所述的施加载荷及边界条件，具体是：载荷施加在内管内表面， 类型为压力，加载方式为线性加载；根据双金属复合管液压胀形过程中的应力-应变状态，忽 略轴向及环向的应力应变，边界条件应设置为限制其轴向及环向的位移，仅允许径向发生位 移。
作为优选，步骤(7)中所述的划分网格对双金属复合管模型进行网格划分，采用四边形 网格，通过计算控制网格大小，获得近似正方形网格。
有益效果：
本发明通过采用有限元模拟软件ABAQUS来模拟大口径双金属复合管液压胀形过程，具有 以下优点：采用二维平面应力模型，相对于三维实体模型，降低了计算量，节约了计算资源； 通过模拟不同材料管道的胀合性能，为企业实际生产提供了选材指导；有效缩短了双金属复 合管的研发周期；节约研发成本。
附图说明
图1为本发明的具体实施步骤流程图。
图2为双金属复合管液压胀形过程有限元模拟的二维平面应力模型图，根据模型特点， 选取了双金属复合管横截面的四分之一作为分析对象。
图3为本发明中的载荷及边界条件施加方式图。
图4为本发明中对实体进行网格划分的效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发 明而不用于限制本发明的范围。
一种为复合管液压胀形工艺提供选材方案的有限元模拟方法，流程参图1，包括以下步 骤：
(1)建立双金属复合管二维模型。
模拟中所用管材尺寸：外管外管：Φ219*6mm，内管：Φ201*1mm，取管材1/4横截面进行分析，忽略管道轴向应力，按平面应力模型进行计算，建立二维双金属复合管模型。双金属复合管模型图参见图2。
(2)赋予双金属复合管模型外管和内管相应的材料属性。
模拟中内管选取某种不锈钢A1，外管为某种碳钢B。假设内管材料A1的弹性模量为210GPa， 泊松比为0.3，屈服强度为306MPa，外管材料B的弹性模量为205GPa，泊松比为0.3，分别 将两种材料属性赋予内、外管。
根据弹塑性理论可以得到双金属复合管液压胀形后的残余接触应力与管道材料力学性能 之间的关系公式：
由此公式可以知道，在液压胀形力及管道规格尺寸不变的条件下，管材的弹性模量及泊 松比影响管道界面间的残余接触应力。因此，在模型中通过改变管道材料力学性能参数，即 弹性模量、泊松比及塑性应力-应变的值来模拟计算材料对管道胀形效果的影响。
(3)将双金属复合管模型实例化。
通过装配步骤将双金属复合管模型实例化，实体类型选择非独立(网格在部件上)，可 节约计算资源。
(4)建立分析步。
创建三个分析步：设置三个分析步：第一步，加载压力使内、外管间逐渐接触；第二步， 保压一定时间；第三步，卸载压力。分析步时长根据生产实际进行模拟。
(5)建立接触。
选取内外管内表面为主面，内管外表面为从面，接触类型为面面接触，切向无摩擦，建 立接触对。
(6)施加载荷及边界条件。
分别对双金属复合管模型施加载荷及边界条件：
载荷的施加：根据企业实际生产选取载荷大小为22.3MPa，将载荷施加在内管内表面， 类型为压力，加载方式为线性加载。
边界条件的施加：忽略双金属复合管轴向及环向的应力应变，在柱坐标条件下，仅允许 径向发生位移，限制轴向及环向位移。
载荷及边界条件的施加参见图3。
(7)划分网格。
选取四边形的网格形状，单元类型为CPS4R，即四节点双线性平面应力四边形减缩积分 单元。通过计算对模型布置种子，选取自由划分的方法划分网格，得到规则的近似正方形的 网格。最终划分结果参见图4。
(8)创建相应的作业，并提交作业，进入分析模式。
(9)在步骤8)计算完成的基础上进入后处理模块。根据实际需求，选取CPRESS——即 径向残余接触应力作为判断双金属复合管界面结合强度的指标。记录下对应的值。
计算得到径向残余接触应力值为0.55MPa。
(10)返回步骤2)，更改材料参数，然后直接进入步骤8)、9)。重复此步骤直至分 析完所有的材料模型。
(11)返回步骤2)，更改内外管材料。内管材料A2弹性模量为215GPa，泊松比为0.26， 屈服强度为347MPa；外管材料B不变，弹性模量为205GPa，泊松比为0.3。赋予内外管对应 的材料属性，返回步骤8)，进入作业模块，提交作业。计算完成后，得到径向残余接触压 力值为0.26MPa。
对于液压胀形工艺制备的双金属复合管，管间结合力越大，则管道性能越好。内管材料 为A1时，残余接触应力可达0.55MPa，而内管材料为A2时，管间残余接触应力只有0.26MPa， 相比于A1，降低了53％。因此在生产中，应选A1管材作为内管使用，即弹性模量为210GPa， 泊松比为0.3，屈服强度为306MPa的不锈钢材料，管道胀合效果更佳。
应当指出，上述实施实例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定， 这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技 术加以实现。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以 做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种为复合管液压胀形工艺提供选材方案的有限元模拟方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)建立双金属复合管二维模型；
(2)赋予双金属复合管模型外管和内管相应的材料属性；
(3)将双金属复合管模型实例化；
(4)建立分析步；
(5)建立接触对；
(6)施加载荷及边界条件；
(7)划分网格；
(8)创建相应的作业，并提交作业，进入分析模式；
(9)在步骤(8)计算完成的基础上进入后处理模块，选取径向残余接触应力作为判断双金属复合管界面结合强度的指标，记录下对应的值；
(10)返回步骤(2)，更改材料参数，然后直接进入步骤(8)和(9)，重复此步骤直至分析完所有的材料模型。
2.根据权利要求1所述的为复合管液压胀形工艺提供选材方案的有限元模拟方法，其特征在于，所述步骤(1)中，取双金属复合管横截面的四分之一进行建立双金属复合管二维模型，忽略轴向应力，采用平面应力模型进行模拟。
3.根据权利要求1所述的为复合管液压胀形工艺提供选材方案的有限元模拟方法，其特征在于，步骤(2)中所述的赋予双金属复合管模型外管和内管相应的材料属性时将外管设置为理想弹性材料，内管则根据材料的实际应力-应变曲线设置材料属性，对于外管，输入材料的弹性模量值及泊松比；对于内管，首先输入材料的弹性模量及泊松比值，再进入塑性模块输入塑性参数，包括塑性应力和应变。
4.根据权利要求1所述的为复合管液压胀形工艺提供选材方案的有限元模拟方法，其特征在于，步骤(4)中所述的建立分析步的具体方法是：根据双金属复合管液压胀形工艺特点，设置三个分析步：第一步，加载压力使内、外管间逐渐接触；第二步，保压一定时间；第三步，卸载压力。
5.根据权利要求1所述的为复合管液压胀形工艺提供选材方案的有限元模拟方法，其特征在于，步骤(5)中所述的建立接触对是指根据模型特点选择静态通用接触，设置外管内表面为主面，内管外表面为从面，假设面与面间无切向摩擦，类型为有限滑移，建立接触对。
6.根据权利要求1所述的为复合管液压胀形工艺提供选材方案的有限元模拟方法，其特征在于，步骤(6)中所述的施加载荷及边界条件，具体是：载荷施加在内管内表面，类型为压力，加载方式为线性加载；根据双金属复合管液压胀形过程中的应力-应变状态，忽略轴向及环向的应力应变，边界条件应设置为限制其轴向及环向的位移，仅允许径向发生位移。
7.根据权利要求1所述的为复合管液压胀形工艺提供选材方案的有限元模拟方法，其特征在于，步骤(7)中所述的划分网格对双金属复合管模型进行网格划分，采用四边形网格，通过计算控制网格大小，获得近似正方形网格。
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