结构尺寸对316L矩形波纹管液压胀形的影响_陈立强.pdf
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1、第 15 卷 第 4 期 精 密 成 形 工 程 2023 年 4 月 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING 99 收稿日期:20230116 Received:2023-01-16 基金项目:国家自然科学基金(51875456);陕西省教育厅服务地方专项项目(20JC029);陕西省高性能精确成形技术与装备重点实验室项目(PETE-2020-KF-02);西安石油大学研究生创新与实践项目(YCS21212128)Fund:National Natural Science Foundation of China(51875456);Special Pr
2、oject of Shaanxi Provincial Education Department Serving Local Areas(20JC029);Shaanxi Provincial Key Laboratory Project of High Performance Precision Forming Technology and Equipment(PETE-2020-KF-02);Innovation and Practice Project for Postgraduates of Xian Petroleum University(YCS21212128)作者简介:陈立强(
3、1998),男,硕士生,主要研究方向为管材精确塑性成形。Biography:CHEN Li-qiang(1998-),Male,Postgraduate,Research focus:precise plastic forming of tubes.通讯作者:刘静(1983),女,博士,副教授,主要研究方向为管材精确塑性成形。Corresponding author:LIU Jing(1983-),Female,Doctor,Associate professor,Research focus:precise plastic forming of tubes.引文格式:陈立强,刘静,刘健,等.
4、结构尺寸对 316L 矩形波纹管液压胀形的影响J.精密成形工程,2023,15(4):99-111.CHEN Li-qiang,LIU Jing,LIU Jian,et al.Effect of Geometry on Hydroforming of 316L Rectangular BellowJ.Journal of Net-shape Forming Engineering,2023,15(4):99-111.结构尺寸对 316L 矩形波纹管液压胀形的影响 陈立强1,刘静1,刘健1,李兰云1,葛前2,左星煜2(1.西安石油大学 a.材料科学与工程学院 b.材料加工工程重点实验室,西安 7
5、10065;2.西安恒热热力技术有限责任公司,西安 710016)摘要:目的目的 掌握结构尺寸对矩形波纹管液压胀形的影响规律。方法方法 利用有限元平台 Abaqus/Explicit 建立316L 矩形波纹管的三维有限元模型,对其液压胀形过程进行数值模拟分析,并利用实验验证有限元模型的正确性,基于单因素法研究长宽比、过渡圆角半径及波距对矩形波纹管成形质量的影响。结果结果 综合考虑成形波高、壁厚减薄率及周向轮廓 3 个指标,获得了长宽比、过渡圆角半径和波距对波纹管成形的影响规律,并给出了各参数对不同指标影响的显著性。结论结论 随着长宽比的增大,长边壁厚减薄率明显减小,圆角与短边的壁厚变化不大,并
6、且不同长宽比波纹管的成形轮廓均在圆角段上低于设计值,在直线段上高于设计值;增大过渡圆角半径更有利于圆角段的贴合,且有利于降低周向壁厚减薄率;波距对波纹管的壁厚减薄率影响显著,波距较小时,波峰上有明显的增厚现象,随着波距的增大,波峰上的增厚现象逐渐消失并开始减薄,波纹管周向波高增大,直边波高容易超出公差范围,可以通过降低成形内压或减小模片间距将波高修正到公差范围内,获得合格的波纹管产品。关键词:矩形波纹管;液压胀形;结构尺寸;影响规律;有限元模型 DOI:10.3969/j.issn.1674-6457.2023.04.012 中图分类号:TG394 文献标识码:A 文章编号:1674-6457
7、(2023)04-0099-13 Effect of Geometry on Hydroforming of 316L Rectangular Bellow CHEN Li-qiang1,LIU Jing1,LIU Jian1,LI Lan-yun1,GE Qian2,ZUO Xing-yu2 (1.a.School of Materials Science and Engineering,b.Key Laboratory of Materials Processing Engineering,Xian Shiyou University,Xian 710065,China;2.Xian He
8、ngre Thermal Technology Co.,Ltd.,Xian 710016,China)ABSTRACT:The work aims to obtain the effect law of geometry on the hydroforming of rectangular bellow.The 3D finite el-ement model of 316L rectangular bellow was established by the finite element platform Abaqus/Explicit.The hydroforming process was
9、 numerically simulated and analyzed and the correctness of the finite element model was verified by experiments.钢铁成形 100 精 密 成 形 工 程 2023 年 4 月 The effects of geometric parameters,including the aspect ratio,transition fillet radius and convolution width,on the results of the formed bellow were studi
10、ed based on the single factor method.In overall consideration of three indexes of convolution height,wall thinning degree and circumferential profile,the effect law of the geometric parameters on forming of bellow and the significance level of effect on different indexes were revealed.The wall thinn
11、ing degree decreases dramatically at the long straight segment but changes slightly at the fillet segment and short straight segment with increasing aspect ratio.The forming profile of bellows with different aspect ratios is lower than the design value in the fillet segment and higher than the desig
12、n value in the straight segment.Increasing the radius of transition fillet is more beneficial to the fitting of fillet segment and the reduc-tion of circumferential wall thinning degree.Convolution width has dramatic impact on wall thinning degree.A prominent mate-rial thickening on the crests is ob
13、served with small convolution width.With increasing convolution width,the thickening on the crests is gradually disappeared and the thinning on the crests is found accompanied by an increase in convolution height.The dimensions of convolution heights at the straight segment easily exceed the toleran
14、ce range,which can be corrected by reducing the internal pressure or the die spacing in order to obtain the qualified bellow products.KEY WORDS:rectangular bellow;hydroforming;geometry;effect law;finite element model 金属波纹管由于具有较好的柔性、热补偿能力及机械性能而被广泛应用于核电、石化、船舶和航空航天等工业领域1-5。波纹管截面形状多样,在矩形风机管道、空冷机透平出口等处所使
15、用的波纹管为矩形轮廓金属波纹管。波纹管成形方式包括滚压、旋压、机械胀形、液压胀形等,其中液压胀形工艺管坯受压均匀,减薄量适中,且能满足高效、高精度的要求,已成为金属波纹管精确塑性成形的重要方式6-8。然而,波纹管液压胀形是多模具、多参数综合影响的复杂成形过程,管坯在成形中容易出现过度减薄、开裂和起皱等缺陷9-11。尤其是对于矩形波纹管,相对于传统圆柱形波纹管,矩形波纹管存在着显著的周向轮廓(圆角、直线段)变化,圆角段的变形抗力高于直线段,材料流动困难,圆角部分成形困难,极易出现过度减薄、波高不足、波形一致性差等问题。而且胀形工艺对波纹管结构参数十分敏感12-13,当矩形波纹管长边与短边的比值、
16、过渡圆角半径及波距改变时,直边与圆角部分的相互约束作用就会发生变化,不同区域的材料变形协调行为更为复杂。因此,研究典型结构参数对矩形波纹管液压胀形的影响对揭示矩形波纹管变形行为、提高波纹管成形质量具有重要意义。近年来,国内外学者对金属波纹管液压胀形进行了大量数值模拟研究,详细地分析了有限元建模中接触定义、约束、网格单元和算法选择等问题14-17。Lee18研究了波纹管壁厚、内压、模片行程等对波纹管成形质量的影响,认为模片行程是决定波纹管最终波形的重要因素,增大胀形内压力有助于波纹管波形处材料的流动。Kang等19揭示了摩擦对单层波纹管成形的影响,发现增加润滑有助于改善材料流动和变形协调,减小壁
17、厚减薄趋势。夏彬20研究了内压力、挤压速度及其匹配关系对波纹管液压胀形厚度及波峰高度的影响,发现增大挤压速度使得壁厚减薄的趋势减缓,波峰高度降低。Liu 等21通过有限元模拟研究了内径、壁厚、波高等结构尺寸对薄壁 316L 圆形波纹管液压成形特性的影响,发现壁厚减小、波高增大时,壁厚减薄率与回弹量对压力变化更敏感,壁厚减薄程度及回弹量与波高呈正相关,与内径和壁厚呈负相关。在矩形波纹管液压成形方面,张琪22利用液压胀形的方法成功制造出矩形波纹管,并认为波纹管的质量取决于胀形过程中内压力的大小及稳定性。吕志勇等23利用仿真分析方法研究了矩形波纹管液压胀形过程中管坯的变形特征以及不同工艺参数对波纹管
18、胀形的影响规律。研究发现,波高从圆角段中间位置向直线段中心不断增大,且圆角段波峰位置处的壁厚减薄最为严重。成形内压力及模具间距的增大均会引起波高的增大。从上述研究可以发现,目前对于波纹管的研究主要集中在圆形波纹管的制造以及成形参数对其质量的影响规律等方面,而对矩形波纹管的相关研究较少,且结构尺寸对矩形波纹管成形的影响尚不明确。因此,文中基于 ABAQUS 软件平台建立不同结构尺寸(长宽比、圆角半径和波距)的矩形波纹管液压胀形有限元模型,在此基础上开展结构尺寸对成形质量的影响研究,该研究对揭示矩形波纹管变形特征、提升矩形波纹管制造水平具有重要价值。1 有限元建模及模型可靠性验证 本文研究对象为
19、U 型单层矩形波纹管,波纹管的几何形状如图 1 所示,其长度 a=100 mm,宽度b=100 mm,管坯厚度 t=1 mm,圆角半径 R=25 mm,波高 h=10 mm,波距 q=10 mm,波峰圆角半径rout=2.5 mm,波谷圆角半径 rin=2.5 mm。实验和模拟所用材料为 316L,通过板材单向拉伸实验获得材料的真实应力应变曲线,如图 2 所示。材料的弹性模第 15 卷 第 4 期 陈立强,等:结构尺寸对 316L 矩形波纹管液压胀形的影响 101 量 E=206 GPa,屈服强度 s=273 MPa,抗拉强度b=649 MPa。基于 ABAQUS/Explicit 平台建立
20、316L 不锈钢矩 图 1 矩形波纹管示意图 Fig.1 Schematic diagram of the rectangular bellow 图 2 316L 板材真应力应变曲线 Fig.2 True stress-strain curve for 316L plate 形波纹管液压胀形过程的三维有限元模型,如图 3 所示。为了提高计算效率,考虑到模型的对称性,采用1/4 模型,模型由模片、成形管坯及端部挤压冲头组成,对称面上施加对称约束;采用壳单元 S4R 离散管坯,刚性单元 R3D4 离散模具;采用动态显示算法分析胀形过程;管坯与模具之间的摩擦满足库伦摩擦模型,摩擦因数为 0.1。材料
21、的屈服行为满足 Hill 厚向异性屈服准则,应变硬化行为由 Swift 方程()p0nK+=描述,其中为等效应力,p为等效塑性应变,K 为强度系数,n 为应变硬化指数,0为应变常数。为了验证模型的可靠性,对 316L 矩形波纹管进行液压胀形实验。矩形波纹管液压胀形采用图 4 所示的单轴立式油压机及模具,设备型号 MDY100M,图 3 矩形波纹管液压胀形有限元模型 Fig.3 Finite element model for the hydroforming of rectangular bellow 图 4 波纹管液压成形设备及模具 Fig.4 Hydroforming equipment
22、and dies of bellow:a)hydroforming equipment:b)forming dies 102 精 密 成 形 工 程 2023 年 4 月 额定压力40 MPa,额定流量30 L/h,电机功率1.5 kW,电压 380 V。实际成形工艺:将 316L 不锈钢板材剪板下料,通过压弯及焊接制成矩形管坯,将矩形管坯放置在模具内,将成形模片由定位块定位,充内压使管坯鼓起,固定模片,卸除定位块,液压机冲头推动模片下移,管坯在内压力与轴向压力的综合作用下变形为所需波形,成形后卸载开模,成形结束。成形条件:成形内压 13 MPa,模片间距 15.7 mm,模片厚度 10 mm
23、,3 个波纹。图 5a、b 分别为实验与模拟获得的 316L 矩形波纹管,可见模拟得到的矩形波纹管轮廓形状与实验结果较为一致。分别对矩形波纹管实验件的直线段与过渡圆角段中心(图 5c)的波高及壁厚进行测量并与模拟结果对比,结果如表 1和表 2 所示。与实验值相比,矩形波纹管直边段中心波高、波谷壁厚和波峰壁厚的误差分别为 15.30%、1.13%、1.09%;圆角段中心波高、波谷壁厚和波峰壁 厚的误差分别为 13.70%、6.06%、1.16%。误差的产生主要因为模拟是将内压力、摩擦力等参数理想处 理,而实验中内压力的波动是不可避免的,并且摩擦情况复杂;此外,实验测量误差也会引起实验和模拟间的偏
24、差。综上所述,本文所建立的矩形波纹管液压胀形有限元模型是可靠的。2 结构尺寸对变形的影响 2.1 长宽比对变形的影响 为了研究长宽比对矩形波纹管液压胀形的影响规律,选用 6 种不同长宽比的矩形波纹管作为研究对象,矩形波纹管宽均为 100 mm,长宽比分别取 1、1.2、1.4、1.6、1.8、2,其他结构参数不变。采用单因素法进行研究,模拟方案见表 3。在表 3 的成形条件下,6 种规格的矩形波纹管均能顺利成形,未产生缺陷。图 5 实验和模拟获得的矩形波纹管 Fig.5 Rectangular bellows obtained by experiment and simulation:a)ex
25、perimental result;b)simulated result;c)measuring position 表 1 波高实验与模拟结果的对比 Tab.1 Comparison of convolution heights obtained by experiment and simulation Convolution height/mm Type Experimental results Simulated results Error/%Center of straight segment 10.06 11.60 15.30 Center of fillet segment 8.30
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