胡 洪，王建國，杜學(xué)斌，徐能惠，邵國棟

（1.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710032；2.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032）

管端加厚機(jī)機(jī)架有限元數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)

胡 洪1，2，王建國1，2，杜學(xué)斌1，2，徐能惠1，2，邵國棟1，2

（1.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710032；2.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032）

管端加厚機(jī)機(jī)架是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的焊接件，是主機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵部件。建立了機(jī)架的數(shù)值模型并對(duì)其進(jìn)行有限元計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果改進(jìn)了機(jī)架結(jié)構(gòu)，改善了機(jī)架受力狀態(tài)，為進(jìn)一步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。

管端加厚機(jī)；機(jī)架；有限元數(shù)值模擬；優(yōu)化設(shè)計(jì)

鋼管管端加厚采用局部加熱水平鍛造成形的工藝方法，是將鋼管管端進(jìn)行局部加熱采用外力使鋼管端部內(nèi)外徑發(fā)生變化，從而增加端部壁厚、增強(qiáng)鋼管端部強(qiáng)度的過程。管端加厚機(jī)是用于管端鐓粗成型的專用設(shè)備，從結(jié)構(gòu)上看管端加厚機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)具有特殊結(jié)構(gòu)的水平鍛造液壓機(jī)，由一臺(tái)具有整體閉式框架的垂直液壓機(jī)和一臺(tái)水平液壓機(jī)有機(jī)組合而成。垂直液壓機(jī)用于鋼管的夾緊，水平液壓機(jī)用于對(duì)管端實(shí)施鐓鍛[1][2]。

主機(jī)機(jī)架是管端加厚機(jī)的關(guān)鍵部件，采用了整體焊接框架結(jié)構(gòu)。工作過程中機(jī)架同時(shí)承受夾緊力和加厚力，受力狀態(tài)比較復(fù)雜，對(duì)其受力狀態(tài)進(jìn)行有限元模擬并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，不僅可以保證機(jī)架的強(qiáng)度和剛度滿足加厚時(shí)的使用要求，而且為加厚機(jī)系列化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

本文對(duì)公稱夾緊力為500t的油管管端加厚主機(jī)機(jī)架進(jìn)行建模，運(yùn)用通用有限元軟件ABAQUS對(duì)其在夾緊和鐓粗狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)機(jī)架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化[3][4][5]。通過優(yōu)化改善了機(jī)架的受力狀態(tài)，也為進(jìn)一步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 機(jī)架結(jié)構(gòu)

管端加厚機(jī)主機(jī)機(jī)架總體上是用鋼板焊接而成的矩形框架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。本框架結(jié)構(gòu)可以分為上、下梁和左、右立柱四個(gè)部分，上梁安裝有三個(gè)缸筒，主柱塞缸筒位于上梁中間位置，左右兩邊各設(shè)計(jì)有一個(gè)活塞缸缸筒。

圖1 管端加厚機(jī)機(jī)架

在鐓粗過程中，上下梁受一個(gè)柱塞缸和兩個(gè)活塞缸共同產(chǎn)生的垂直夾緊力的作用，左右梁受水平缸產(chǎn)生的鐓粗力的作用。

2 機(jī)架數(shù)值模擬條件分析

由于機(jī)架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，計(jì)算中首先用三維建模軟件SolidWorks建立機(jī)架三維模型，如圖2所示。將模型文件轉(zhuǎn)化為*.x＿t格式后導(dǎo)入到通用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行計(jì)算。

其中，鋼板材料為16Mn，缸筒材料為35鋼。計(jì)算中，以系統(tǒng)工作的最高壓力27MPa計(jì)算各部分施加于模型的載荷，最大夾緊力為5.99MN，最大鐓粗力為2.6MN。為了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，在計(jì)算中根據(jù)實(shí)際受力情況將這兩部分力以壓力的形式施加于模型各部分。

圖2 機(jī)架SolidWorks三維模型

主機(jī)機(jī)架受力狀態(tài)分為夾緊和鐓粗兩種狀態(tài)，為了使有限元模型的載荷施加更接近實(shí)際受力狀態(tài)，本文進(jìn)行如圖3所示的夾緊狀態(tài)載荷施加和如圖4所示的鐓粗狀態(tài)載荷施加。

圖3 夾緊狀態(tài)施加的載荷

圖4 鐓粗狀態(tài)施加的載荷

綜合考慮模擬計(jì)算時(shí)間和計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性兩個(gè)因素，劃分網(wǎng)格時(shí)使用四節(jié)點(diǎn)四面體單元，網(wǎng)格不大于30mm。

由于機(jī)架受載荷時(shí)與地基的相互作用比較復(fù)雜，為了分析邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，計(jì)算中對(duì)模型采用了兩種邊界，分別如圖5、圖6所示（分別稱為邊界條件M、N），邊界條件M中將機(jī)架底板與地基相接觸的部分全部固定約束，邊界條件N只將底板中間部分與地基相接觸部分固定約束。其中邊界條件N是考慮到機(jī)架發(fā)生變形較大時(shí)的極限情況，這時(shí)假想底板兩端變形太大向上翹起，與地基不接觸。

圖5 邊界條件（M）

圖6 邊界條件（N）

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

按上述加載條件和邊界條件對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算。圖7、圖8分別為機(jī)架在夾緊狀態(tài)和鐓粗狀態(tài)的等效應(yīng)力云圖（圖中超出80MPa部分用銀色顯示）。

由于鐓粗狀態(tài)時(shí)機(jī)架除了受到豎直方向的夾緊力之外，也有水平方向的鐓粗力使機(jī)架的受力區(qū)域更趨于均勻，改善了機(jī)架的變形。所以，盡管鐓粗狀態(tài)的受力情況比夾緊狀態(tài)更復(fù)雜，但機(jī)架卻是在夾緊狀態(tài)下應(yīng)力較大。因此，數(shù)值計(jì)算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化以夾緊狀態(tài)為分析依據(jù)。

機(jī)架的應(yīng)力較大處主要分布在如圖9所示的A、B、C點(diǎn)，因此計(jì)算結(jié)果中主要列出了這些點(diǎn)的夾緊狀態(tài)應(yīng)力值。

表1為機(jī)架在夾緊狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力計(jì)算值。從表中可以看出，除了上梁中間的主柱塞缸筒應(yīng)力較大之外，B、C點(diǎn)的應(yīng)力也超過了80MPa。

柱塞缸缸筒內(nèi)表面的計(jì)算應(yīng)力為110MPa左右，但考慮到主柱塞缸筒的內(nèi)表面應(yīng)力較大是由于高壓油作用所致，而該鋼筒采用35號(hào)鋼鍛造而成，缸體材料的力學(xué)性能可以滿足使用要求。另外，可以看出，兩種邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響并不很大，結(jié)果相差2.9%左右，用邊界條件N是較為保守的計(jì)算結(jié)果。

圖7 夾緊狀態(tài)等效應(yīng)力云圖

圖8 鐓粗狀態(tài)等效應(yīng)力云圖

圖9 夾緊狀態(tài)下應(yīng)力集中點(diǎn)（邊界條件N）

表1 夾緊狀態(tài)時(shí)機(jī)架的應(yīng)力計(jì)算值/MPa

圖10所示為夾緊狀態(tài)的應(yīng)變?cè)茍D。其中，最大應(yīng)變點(diǎn)在柱塞缸缸筒上部，最大應(yīng)變?yōu)?.68mm，相對(duì)于機(jī)架的總體尺寸（長2820mm，高度3665mm）來說變形量很小，最大變形率為0.68/3665，在萬分之二左右，表明機(jī)架已經(jīng)具有較好的剛度。

圖10 夾緊狀態(tài)下應(yīng)變?cè)茍D（邊界條件N）

4 機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，從減小以上應(yīng)力集中區(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在圖11中所示的P和Q處圓角半徑由300mm增大至320mm，以期降低B、C兩處的應(yīng)力。

圖11 機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

對(duì)新的模型進(jìn)行如前述相同的處理，計(jì)算結(jié)果如表2。從計(jì)算結(jié)果可以看出，B、C點(diǎn)的應(yīng)力峰值均有明顯降低。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的應(yīng)力結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

圖12為結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的應(yīng)變?cè)茍D，夾緊狀態(tài)下機(jī)架最大應(yīng)變位于柱塞缸缸筒上部，最大值為0.66mm，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

另外，由于機(jī)架中環(huán)形面板的面積較大，只能采用拼焊方法來設(shè)計(jì)制造，有限元分析結(jié)果可以作為設(shè)計(jì)中的參考，設(shè)計(jì)的焊縫位置要避開應(yīng)力較大區(qū)域。

表2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后機(jī)架的應(yīng)力計(jì)算值/MPa

圖12 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的應(yīng)變?cè)茍D（邊界條件N）

5 結(jié)論

通過對(duì)管端加厚機(jī)機(jī)架的有限元數(shù)值模擬，可以比較容易地得到機(jī)架在工作過程中的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題，進(jìn)而根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)機(jī)架設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，得到較好的設(shè)計(jì)結(jié)果。

[1]裴志強(qiáng)，權(quán)曉惠.石油鉆桿管端加厚工藝研究 [J].重型機(jī)械，2002，（4）：33-36.

[2]王振志，滿國祥，李曉暉，等.鉆桿加厚鍛造生產(chǎn)線的研發(fā)[J].地質(zhì)裝備，2008，（3）：18-23.

[3]王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[4]劉惟信.機(jī)械最優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[5]高 翔，胡 淼.框式熱壓機(jī)機(jī)架有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2009，26（4）：62-64.

The finite element numerical simulation and optimized design for the frame of pipe end upsetting machine

HU Hong1,2,WANG Jianguo1,2,DU Xuebin1,2,XU Nenghui1,2,SHAO Guodong1,2
（1.State Key Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment Technology, Xi'an 710032,Shaanxi China; 2.China National Heavy Machinery Research Institute Co.,Ltd., Xi'an 710032,Shaanxi China）

The frame of pipe end upsetting machine is a welding part with complex structure,which is a key component of the main machine.The numerical model has been established to the frame and finite element calculation has been performed.The structure and force status of the frame have been improved according to the calculation result,which accumulates experiencesfor the further design of the structure.

Pipe end upsetting machine;Finite element numerical simulation;Optimized design

TG376.9

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.021

1672－0121（2016）04－0067－04

2016－02－26；

2016－04－17

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目（2014KTCL01－01）；中國重型機(jī)械研究院股份公司科研項(xiàng)目（K1305410）

胡 洪（1962－），男，高級(jí)工程師，從事重型鍛壓裝備及工藝研究。E－mail：huhong－erzhong＠sina.com