劉 靜，王有龍，李蘭云，李 霄

(1.西安石油大學(xué) 材料加工工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065;2.西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072;3.南京晨光東螺波紋管有限公司，江蘇 南京 211153)

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·新技術(shù)新設(shè)備·

層數(shù)對(duì)不銹鋼波紋管液壓脹形影響研究

劉 靜1,2，王有龍3，李蘭云1，李 霄1

(1.西安石油大學(xué) 材料加工工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065;2.西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072;3.南京晨光東螺波紋管有限公司，江蘇 南京 211153)

多層不銹鋼波紋管是管路系統(tǒng)中的關(guān)鍵零件。由于層與層之間存在接觸和摩擦作用，多層不銹鋼波紋管的液壓脹形過(guò)程極其復(fù)雜。為提高波紋管的成形質(zhì)量，基于ABAQUS有限元分析軟件模擬多層波紋管液壓脹形過(guò)程，研究了層數(shù)對(duì)波紋管成形壁厚和波高的影響。結(jié)果表明：在波峰和波谷頂點(diǎn)位置，外層管坯的減薄率大于內(nèi)層和中層；在波紋直壁區(qū)，內(nèi)層管坯的減薄率大于中層和外層；總厚度相同時(shí)，多層波紋管波高和內(nèi)徑隨層數(shù)的增大而增大，波紋管層數(shù)增多可降低波峰產(chǎn)生破裂的趨勢(shì)。

不銹鋼波紋管；液壓脹形；層數(shù)；數(shù)值模擬

0 前言

多層不銹鋼波紋管具有剛度小、柔性補(bǔ)償量大、疲勞壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，是管路系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件[1, 2]。波紋管層數(shù)及厚度對(duì)其承壓能力及剛度有重要影響，是波紋管設(shè)計(jì)中需要考慮的重要參數(shù)。然而，多層波紋管的液壓脹形是材料、幾何、邊界條件非線性的物理過(guò)程，并且由于各層管材之間的接觸摩擦作用使得成形中應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，各層管坯變形相互制約，相互影響，波形變化復(fù)雜且難以控制，尤其當(dāng)層數(shù)較多時(shí)，外層和內(nèi)層管坯的彎曲半徑相差較大，其在成形過(guò)程中易于發(fā)生變形不協(xié)調(diào)，產(chǎn)生破裂等缺陷。因此，對(duì)多層不銹鋼波紋管液壓脹形進(jìn)行仿真分析，研究和揭示層數(shù)對(duì)波紋管液壓脹形的影響對(duì)實(shí)現(xiàn)波紋管精確成形具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)波紋管液壓脹形的研究多集中在單層管上。Lee[3]和黃志勇等[4]對(duì)單層波紋管液壓脹形仿真中模型的建立進(jìn)行了研究。給出了波紋管的建模方法，解決了建模中的接觸、材料、求解等問(wèn)題。陳為柱[5]推導(dǎo)了波紋管液壓脹形過(guò)程初波壓力、軸向推力及單波展開(kāi)長(zhǎng)度的理論計(jì)算方法。Zhang等[6]采用數(shù)值模擬的方法研究了不同加載路徑和管坯長(zhǎng)度下波紋管壁厚的分布情況。夏彬[7]研究了內(nèi)壓力、擠壓沖頭運(yùn)動(dòng)速度及其匹配關(guān)系(加載路徑)對(duì)厚度分布及波峰高度的影響。在單層波紋管液壓脹形的基礎(chǔ)上，一些學(xué)者對(duì)多層波紋管液壓脹形工藝展開(kāi)研究。郎振華[8]對(duì)四層S型波紋管液壓脹形過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)各層應(yīng)力應(yīng)變、壁厚分布不同。劉靜等[9]對(duì)三層U形波紋管液壓脹形建模過(guò)程進(jìn)行了研究，采用“變形體面-變形體面”定義管坯與管坯之間的接觸，“剛體-變形體面”定義模具與管坯之間的接觸，采用綁定約束實(shí)現(xiàn)多層管坯端部與沖頭的連接。宋林紅等[10]研究了雙層U形不銹鋼波紋管液壓脹形變形特征，發(fā)現(xiàn)雙層波紋管波峰處減薄最大，波谷處減薄較小，且內(nèi)層壁厚減薄率大于外層。然而目前尚未見(jiàn)到關(guān)于層數(shù)對(duì)波紋管液壓脹形影響的研究報(bào)道。

本文基于ABAQUS軟件平臺(tái)建立了多層不銹鋼波紋管液壓脹形有限元模型，分析了層數(shù)對(duì)波紋管壁厚分布和波高的影響，為波紋管精確塑性成形分析提供了參考。

1 有限元模型的建立及驗(yàn)證

為準(zhǔn)確描述波紋管在脹形過(guò)程中的變形行為，基于ABAQUS有限元平臺(tái)，建立了波紋管液壓脹形全過(guò)程有限元模型，如圖1所示。

建模關(guān)鍵技術(shù)如下：

(1)考慮到模型的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)特征，采用軸對(duì)稱模型對(duì)波紋管液壓脹形過(guò)程進(jìn)行模擬；

(2)模具在成形過(guò)程中基本不變形，采用剛性單元RAX2離散；波紋管使用軸對(duì)稱一階減縮實(shí)體單元CAX4R進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了準(zhǔn)確計(jì)算管壁的應(yīng)力變化，在壁厚方向劃分4個(gè)網(wǎng)格，軸向網(wǎng)格尺寸為 1 mm。

圖1 雙層波紋管液壓脹形有限元模型

(3)管坯與模具以及管坯與管坯接觸面之間采用面-面接觸方式進(jìn)行定義，接觸面之間的摩擦滿足庫(kù)倫摩擦模型，管坯與模具之間的摩擦系數(shù)為0.1，管坯與管坯之間的摩擦系數(shù)為0.3。

(4)采用動(dòng)態(tài)顯示算法分析脹形過(guò)程，為減小分析中的慣性效應(yīng)，采用梯形曲線加載。

為驗(yàn)證模型的可靠性，對(duì)波紋管進(jìn)行液壓脹形實(shí)驗(yàn)。選用的材料為304不銹鋼，波紋管外徑339 mm，內(nèi)徑267 mm，波距35 mm，波厚21.4 mm，單層壁厚1.5 mm，2層，3個(gè)波紋。材料的彈性模量E=195.3 GPa, 泊松比μ=0.285, 屈服強(qiáng)度σs=256 MPa，厚向異性指數(shù)r=1.13。成形內(nèi)壓力10 MPa，模具行程58 mm。圖2為模擬及實(shí)驗(yàn)獲得的波紋管。由圖可見(jiàn)，模擬及實(shí)驗(yàn)的波紋管輪廓接近，經(jīng)測(cè)量模擬獲得的波紋管外徑與實(shí)驗(yàn)值的偏差為7.5%，有限元模型可靠。

圖2 模擬和實(shí)驗(yàn)獲得的波紋管輪廓對(duì)比

2 層數(shù)對(duì)波紋管液壓脹形的影響

層數(shù)對(duì)波紋管的力學(xué)性能影響很大，厚度相同的單層波紋管疊加可以增大波紋管承壓能力和剛度；而總厚度相同時(shí)，層數(shù)越多波紋管的剛度越小，但同時(shí)也會(huì)給生產(chǎn)制造帶來(lái)一定困難。因此本節(jié)針對(duì)上述兩種情況，進(jìn)行了不同層數(shù)波紋管液壓脹形成形性能(包括壁厚變化、波高)的研究。

(1)單層厚度相同、層數(shù)不同。單層厚度1.5 mm，層數(shù)分別為1、2、3、4。

(2)總厚度相同、層數(shù)不同。總厚度3 mm，層數(shù)分別為1、2、3、4。

表1為不同層波紋管液壓脹形的成形條件。

表1 模擬方案及成形條件

多層波紋管管坯從外層到內(nèi)層分別定義為第1層、第2層、第3層、第4層；同時(shí)選取半個(gè)波形輪廓上的7個(gè)特征點(diǎn)測(cè)量其壁厚，節(jié)點(diǎn)1為波峰頂點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)2為波峰半圓弧的1/2處節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)3為波峰圓弧與直壁交界處節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)4為波紋直壁段中點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)5為波紋直壁段與波谷圓弧交界處節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)6為波谷半圓弧的1/2處節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)7為波谷頂點(diǎn)，如圖3所示。

2.1 單層厚度相同的多層波紋管成形性能

圖4為單層厚度相同的不同層數(shù)波紋管脹形

圖3 波紋管輪廓特征點(diǎn)

后壁厚減薄率。由圖可見(jiàn)，波紋管脹形后壁厚發(fā)生了明顯減薄，波峰減薄率最大，從波峰到波谷減薄率逐漸減小。并且對(duì)于多層波紋管，在波峰和波谷頂點(diǎn)位置，外層(第1層)管坯的減薄率大于內(nèi)層和中層(第2、3、4層)各管坯，在波紋直壁區(qū)，內(nèi)層管坯的減薄率大于中層和外層。這主要是因?yàn)榕c內(nèi)層管坯相比，外層管坯在波峰頂點(diǎn)位置(節(jié)點(diǎn)1)徑向變形程度較大，壁厚減薄明顯；而在波谷頂點(diǎn)位置(節(jié)點(diǎn)7)，在起初波階段，在內(nèi)壓力的作用下，外層管坯最先與成形模片接觸，軸向和徑向伸長(zhǎng)，厚度減薄，使得模片卡在管坯上面。因此壁厚減薄大于內(nèi)層和中層。而波紋直壁區(qū)是在初波階段完成后在模片的擠壓作用下波紋管材料逐漸包裹在成形模片上形成的，因此內(nèi)層管坯受到較大的拉伸作用，靠近模片的外層管坯變形程度較小。壁厚減薄率由內(nèi)層向外層逐漸減小。

圖4 單層厚度相同不同層數(shù)波紋管壁厚減薄率

2.2 總厚度相同的多層波紋管成形性能

圖5為總厚度相同的不同層數(shù)波紋管脹形后壁厚減薄率。由圖可見(jiàn)，總厚度相同的多層波紋管的壁厚減薄率大于單層波紋管，這主要是由于多層波紋管層與層之間的摩擦作用增大了各層所受的拉應(yīng)力作用，在相同的內(nèi)壓力和軸向力的作用下，多層波紋管壁厚減薄率大于單層管。同時(shí)由成形后波紋管波高和內(nèi)徑的對(duì)比(圖6)可以發(fā)現(xiàn)，隨層數(shù)增多，波高和內(nèi)徑都增大，4層波紋管的波高和內(nèi)徑比單層波紋管分別增大了0.73 mm和1.96 mm，波高的增大也使得多層管的壁厚減薄率增大；同時(shí)內(nèi)徑的增大說(shuō)明層數(shù)增多后，波紋管波谷部分材料與模片的貼合性更好，更容易保證波紋管內(nèi)徑的尺寸公差。

圖5 總厚度相同不同層數(shù)波紋管壁厚減薄率

圖7為波紋管成形后外側(cè)波形輪廓(節(jié)點(diǎn)1～7之間路徑)上的等效應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變分布。由圖可見(jiàn)，單層波紋管成形后波峰位置等效應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變均大于多層波紋管，隨層數(shù)增加，最外側(cè)等效應(yīng)力和應(yīng)變值均減小。這是由于當(dāng)層數(shù)增多時(shí)，每一層壁厚減小，從外側(cè)到內(nèi)側(cè)的應(yīng)力梯度值減小，波紋管柔性增強(qiáng)，不易產(chǎn)生波峰處的開(kāi)裂。

圖6 總厚度相同不同層數(shù)波紋管脹形波高和內(nèi)徑

圖7 總厚度相同波紋管外側(cè)輪廓上等效應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變分布

3 結(jié)論

(1)單層厚度相同，不同層數(shù)波紋管液壓脹形后，在波峰和波谷頂點(diǎn)位置，外層管坯的減薄率大于內(nèi)層和中層各管坯，在波紋直壁區(qū)，內(nèi)層管坯的減薄率大于中層和外層。

(2)總厚度相同時(shí)，多層波紋管的壁厚減薄率大于單層波紋管，且隨層數(shù)增多，波高和內(nèi)徑都增大。

(3)總厚度相同時(shí)，波紋管層數(shù)增多可顯著減小波紋管外側(cè)波峰處的等效應(yīng)力，因此可降低波紋管在液壓脹形過(guò)程中波峰受拉產(chǎn)生破裂的趨勢(shì)。

[1] 徐開(kāi)先. 波紋管類組件的制造及其應(yīng)用[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社. 1998.

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專利介紹

一種雙機(jī)架四輥平整兼二次冷軋機(jī)組輥系配置方法(CN103949473A)

本發(fā)明針對(duì)雙機(jī)架四輥平整兼二次冷軋機(jī)組既要保證二次冷軋極薄板產(chǎn)品大壓下量變形，又要保證平整產(chǎn)品板形及表面質(zhì)量的要求，提供了一種雙機(jī)架四輥平整兼二次冷軋機(jī)組輥系配置方法。

本發(fā)明涉及冶金機(jī)械及自動(dòng)化、軋制技術(shù)領(lǐng)域，具體提供了一種雙機(jī)架四輥平整兼二次冷軋機(jī)組輥系配置方法，綜合考慮平整產(chǎn)品和二次冷軋產(chǎn)品各自特點(diǎn)對(duì)輥系的配置要求，提出在雙機(jī)架四輥平整兼二次冷軋機(jī)組中1號(hào)機(jī)架采用二次冷軋功能所要求的大壓下量的小直徑工作輥輥系，2號(hào)機(jī)架采用平整功能所要求的優(yōu)良板形的大直徑工作輥輥系，并考慮機(jī)組設(shè)備的互換性，1號(hào)機(jī)架輥系和2號(hào)機(jī)架輥系共用相同規(guī)格的支承輥輥系，1號(hào)機(jī)架和2號(hào)機(jī)架采用相同的工作輥軸承座組件。本發(fā)明解決了雙機(jī)架四輥平整兼二次冷軋機(jī)組既要保證平整產(chǎn)品良好的板形，又要確保薄規(guī)格二次冷軋產(chǎn)品的穩(wěn)定軋制之間的矛盾，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行平穩(wěn)可靠，取得顯著的效果。

Effect of layer number on stainless steel bellows hydroforming

LIU Jing1,2,WANG You-long3,LI Lan-yun1,LI Xiao1

(1.Key Laboratory of Materials Processing Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China;2.State Key Laboratory of Solidification Processing,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China;3.Aerosun-Tola Expansion Joint Co.,Ltd.，Nanjing 211153,China)

Multi-layered stainless steel bellows are key components in pipe system. However the hydroforming process of multi-layered stainless steel bellows is very complex due to the constrains among layers. To improve the forming quality, the numerical simulation of bellows hydroforming is carried out based on ABAQUS platform. The influence of layer number on wall thickness and convolution height is studied. The results show that: at the crown points of crest and trough, wall thinning degree of the outer layer is larger than those of the inner and middle layers; at the straight wall of convolution, wall thinning degree of the inner layer is larger than those of the outer and middle layers; convolution height and inner diameter increase with the increase of layer number under the same total thickness, and cracking trend at the crest can be reduced for multi-layered bellows.

stainless steel bellow;hydroforming;layer number;FE simulation

2017-01-06；

2017-02-08

國(guó)家自然基金(No.51405386)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(No. 2014JQ7237)；陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃(No. 14JK1565);凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西北工業(yè)大學(xué))開(kāi)放課題(SKLSP201403)；西安石油大學(xué)青年科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(2015QNKYCXTD02)。

劉靜(1983-)，女，河北人，西安石油大學(xué)講師，博士，研究方向?yàn)楣懿木_塑性成形。

TG386.43

A

1001-196X(2017)04-0006-04