大口径等壁厚弯头非稳态弯曲成形数值模拟与工艺优化

作     者：肖同妹 

作者单位：天津理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张建

授予年度：2011年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：大口径弯头 挤压弯曲 差速成形 挤出成形 工艺优化 参数预测 有限元分析 遗传BP算法 

摘      要：弯头作为管路系统中的关键元件之一,被广泛应用于化工、石油、天然气、机械和水电等行业。随着工业的快速发展和扩张,在实际工程应用中,对大口径厚壁弯头的需求越来越多。但大口径厚壁弯头的加工方法在国内尚处于发展的起步阶段,主要依靠引进国外工艺与自行研发。本文对挤压弯曲成形和差速挤出成形大口径厚壁弯头的方法进行了深入研究,并对成形工艺进行了优化改进。 大口径厚壁弯头挤压弯曲成形工艺分为两个道次——圆形管坯压扁工序和预压件的弯曲工序。根据两道次的成形工艺特点,笔者对成形模具及坯料进行了设计,用PRO/E软件绘制两道次的模具模型和管坯模型,然后导入DEFORM-3D软件中对两道次的成形过程进行了有限元数值模拟,得出了不同工艺方案下的成形结果。在研究初期,在大量模拟数据的基础上,利用BP网络结合遗传算法对管坯尺寸及工艺参数进行了初步预测,并得到了较为满意的结果。对变形过程中的管坯进行应力、应变、壁厚变化、速度场、温度场、热应力和载荷分析,得到了两个道次成形特点和影响弯头成形的主要变形区的应力应变分布情况。通过对三组不同压下量、不同压扁速度（第一道次）及不同合模速度（第二道次）模拟结果的对比分析,得出了两个道次不同速度对管坯成形的影响规律以及挤压弯曲成形的最佳工艺方案,并且模拟成形弯头基本符合生产要求,可为实际生产提供参考。 大口径厚壁弯头差速挤出成形工艺是通过管坯的偏心设计来实现模口处管坯内外弧的差速流动,从而产生弯曲形成弯头。该工艺为单道次成形,采用带芯棒的热挤出成形方法。根据产品弯头规格换算成的速差要求以及差速挤出成形工艺特点,笔者对管坯和成形模具进行了设计,用PRO/E软件建立管坯和模具的三维实体模型,用DEFORM-3D软件对成形过程进行了有限元数值模拟,并对成形过程及结果进行了等效应力、等效应变、速度场以及载荷变化分析,研究了差速挤出大口径厚壁弯头的成形特点,发现成形弯头截面无扁化,壁厚均匀,达到了误差要求,残余应力较小。研究表明,通过管坯的偏心设计可以实现模口处管坯内外弧的差速流动,速度差值可达到预期设想,但成形弯头的弯曲曲率未达到要求。通过对不同加载方案模拟结果的对比分析,得出了不同加载路径对成形弯头弯曲曲率的影响规律,为进一步更深入的研究奠定了坚实的基础。