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哈爾濱技術(shù)學(xué)會日報（新系列）
發(fā)電站水煮容器中的彎曲管所用的有限元素和實(shí)驗分析
賴一楠 于浩楠 劉獻(xiàn)禮 于延民
(哈爾濱科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 力量工程系 中國哈爾濱 150080 郵箱 laiyinan@hrbust.edu.cn)
摘要：聯(lián)合計算機(jī)模擬、理論上的分析和實(shí)驗為發(fā)電站水煮容器中的彎曲管提供程序 FEM-數(shù)字模擬系統(tǒng)被建立體現(xiàn)在制造程序中扮演重要角色的寒冷的彎曲管，比如橢圓度，壁厚和設(shè)備的驅(qū)動力比. 實(shí)驗在哈爾濱煮器工廠進(jìn)行.FEM模型的參數(shù)能為彎曲管的程序模擬力量和質(zhì)量叁數(shù)且錯誤是在5%以內(nèi),實(shí)驗已經(jīng)示范了達(dá)成這一個系統(tǒng)的結(jié)果以及更有用和更經(jīng)濟(jì)的超過試驗的那些生產(chǎn)方法．它大量使用計算機(jī)模擬減少生產(chǎn)費(fèi)用,效果比許多實(shí)驗要好
主要文字: 冷的彎曲管;FEM;橢圓度;稀薄比;
CLC數(shù);TG386.43 文件密碼A 文章地址1005-9113(2008)02-0198-04
彎曲管的方法已經(jīng)廣泛地被應(yīng)用在煮器和壓力船制造業(yè)的領(lǐng)域中．汽車工業(yè)、航空，航空宇宙制造業(yè)，船舶制造業(yè)等等．以上研究有顯示彎曲過程的寒冷能提高其降低強(qiáng)度的20 ％一 30％的力量．以及收據(jù)控制的成熟技術(shù)使它自然成為使用彎區(qū)控制的寒冷工作母體
然而，彎曲管的程序非常復(fù)雜，因此,計劃的程序以分析的解決為基礎(chǔ)．傳統(tǒng)的錯誤法方法不能夠解決生產(chǎn)的需要以及可能引起在時間和財務(wù)上的浪費(fèi),隨著計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展和 FEM 方法．我們大量地使用復(fù)雜的程序分析的通常軟件是能實(shí)現(xiàn)的. 軟件 ANSYS 用來模擬那寒冷的管彎曲程序．彎曲模擬制度的圓形管被建造為了要預(yù)測被驅(qū)動力而且有效地形成質(zhì)量高的設(shè)備，像橢圓度，墻壁的稀薄比．我們也已經(jīng)給實(shí)驗的確認(rèn)．
1 冷彎曲程序的摘要
經(jīng)常地有三管彎曲方法：推動方法，磨擦方法和繪圖方法。繪圖方法在圖1中顯示
風(fēng)扇形狀的模子是通過十字架形狀的鑰匙替換和固定在設(shè)備上的, 固定的螺鉗被螺絲固定在風(fēng)扇形狀的模子上而且通過螺絲鉗連接可動裝置．然后管的末端旋轉(zhuǎn)的限制位置和所有的其他模子的替換來實(shí)現(xiàn)寒冷管的彎曲。
圖1，管彎曲的過程
質(zhì)量是最重要的一項評估彎曲管的程序．通常，非理想毀壞在彎曲之后發(fā)生了。 (如圖2所示)
圖2，管彎曲的形狀
管的外側(cè)面m-m面以為外部的拉力而變薄，此時管的內(nèi)部側(cè)壁n-n由于彎曲程序而根據(jù)壓力變薄，R是設(shè)計彎曲半徑，是被設(shè)計了的管的外部直徑，這部分圖表表示了這部分形狀從圓形到橢圓型，以及墻壁的厚度的不均勻，A是橢圓部分的長軸，B是短軸，S是理想的墻壁厚度，而且S是最小量，S是最大值，橢圓度a=（A—B）/X 橢圓比b=（S—S1）/S,厚度比C=(S2—S)/S
隨著煮器的功能的提高，彎管接頭的能否符合更高的要求以及設(shè)備是否在受驅(qū)動力下充分旋轉(zhuǎn)是一個很重要的問題，我們盡可能的預(yù)測設(shè)備的驅(qū)動力來達(dá)到高質(zhì)量和效率，我們可以制造更好的產(chǎn)品來獲得更高的利益
2 模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
冷彎曲過程是最復(fù)雜的包括大的塑性破壞，大的位移，非線形連接的分析，所以我們使用ANSYS軟件和它的非線性分析方法建立一個圓形管道彎曲模擬系統(tǒng)來有效的預(yù)測驅(qū)動力和成型質(zhì)量
2．1預(yù)加工：模型
考慮模型的結(jié)構(gòu)的對稱、負(fù)荷和限制，我們建造分析模型減少了一半的計算時間．而且APDL 參數(shù)設(shè)計語言用來輸入尺寸和和材料的參數(shù)，確認(rèn)哪個是可以再次使用的記錄文件，幾何學(xué)的模型如圖3顯示
圖3，管彎曲的幾何學(xué)模型
在FEM模式下，PLANE42是用來描述管道的部分，VISCO107用來描述銷售的塑料管道進(jìn)行大量的破壞性分析，與管道比較，風(fēng)扇形狀的模子的破壞，固定的螺絲鉗和可動加緊裝置是比較小的可以忽略不計，所以我們拿硬的或者軟的管子用ANSYS來分析連接模型，我們使用三個雙向連接，扇型模子的表面是目標(biāo)元素，TARGE170，管子的附加聯(lián)絡(luò)元素是CONTA173，表面的位置是TARGE170，模子表面的夾緊是TARGE170， 連接硬件可達(dá)到0.65在理論上0.01到100就可以得到很好的精密和很高的效率
2.2 解決;應(yīng)用負(fù)荷
在彎曲管的模擬程序中,大的非線性塑性破壞已經(jīng)被N-R方法解決,而且多步驟的負(fù)荷控制大的破壞,有人預(yù)言,自動過程將被加速應(yīng)用,飛行員也用來控制身體的運(yùn)動,我們強(qiáng)迫管子的移動然后代替斜坡夾緊的模子,再旋轉(zhuǎn)之后,一個卸貨步驟被執(zhí)行去掉夾緊和空隙
2.3繼續(xù)加工:得到結(jié)果
在計算合成之后,解決問題需要以下步驟:
1） 動態(tài)的展示彎曲管的過程：由于這個功能，我們可以動態(tài)的展示管的彎曲過程，并且將其儲存，我們可以只選擇管子而不是模子以便更清楚的觀察管子的破壞，
2） 得到模子的作用反力，在POST26中解決模子的作用反力可以幫助我們得到模子的瞬間受力情況，推力大小，和移動加緊力的大小。
3） 計算質(zhì)量參數(shù)：薄的切片可以幫助我們得到部分的毀形狀，在任何位置可以畫出壓緊力和變形，我們也可以使用幾何方法檢查來得到每個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，然后計算質(zhì)量參數(shù)，比如墻壁厚度，橢圓比，變稀比，厚度比等等
3 實(shí)驗和模擬之間的比較
為了實(shí)驗FEM的模擬系統(tǒng)的精確程度，實(shí)驗被安排在了哈爾濱煮沸工廠用兩種管子來做：
管 A：直徑 168 毫米，墻壁的厚度30 毫米，彎曲半徑 400 毫米，材料 20 G
管 B：直徑 141 毫米，墻壁的厚度25毫米，彎曲半徑 350 毫米，材料 20 G
3．1比較模子的作用力
來自模擬的管 A 和 B 的瞬間彎曲被顯示在圖4中
圖4，彎曲時刻的圖表顯示
載入程序時間在2點(diǎn)，完成時間在6點(diǎn)，卸載程序時間從6點(diǎn)到7點(diǎn)，從每一條單一的曲線上我們能可以看到彎曲的時刻從一開始很快增加到一個很高的水平，然后彎曲的的增長開始變慢，這就使得主要的壓力分界點(diǎn)集中在彎曲的初始階段，而且這與（6）中的判斷一致，每條曲線最大彎曲時刻出現(xiàn)在最大破壞處，這個結(jié)果與實(shí)驗者的預(yù)測一致。這很清楚的表明管A比管B需要更高的驅(qū)動力，這個結(jié)果使我們可以更適當(dāng)?shù)膩戆才旁O(shè)備。
3.2管彎曲質(zhì)量的比較
模擬管A和管B的橢圓度在圖5中顯示
圖5，橢圓度的圖表
很明顯是1800的彎曲管最大橢圓度不是我們通常想象的在90°上，而且真正的連接位置對彎曲半徑是一個擴(kuò)充，模擬錯誤是在不同的模擬實(shí)驗中占的百分比不同，表1顯示了個部分的比較。
外部墻壁的變薄是最嚴(yán)重的缺點(diǎn)，通過模擬，我們可以預(yù)測變薄的位置，然后決定時候需要盡快改善，在圖6中顯示了整個管外部墻壁的變薄情況
表1 實(shí)驗和模擬的橢圓度的比較
圖6，變薄比的圖表
從中我們可以看到管最初的彎曲部分已經(jīng)在壓力的作用下發(fā)生了大的塑性破壞。表2展示了模擬和實(shí)驗之間變薄的對比情況
表2，實(shí)驗和模擬的變薄比的對比情況
。
FEM參數(shù)的模型在這此建立，可以模擬管的彎曲力和質(zhì)量參數(shù)誤差在5％內(nèi)，考慮到獲得數(shù)據(jù)和真正因素的沖擊的簡單方法，我們可以接受和使用它因為設(shè)備的表現(xiàn)和質(zhì)量預(yù)測能獲得比實(shí)驗生產(chǎn)更高效的結(jié)果。
4 管的彎曲上的進(jìn)一步研究
FEM的數(shù)字模擬不僅能預(yù)測設(shè)備的功能和彎曲管的過程質(zhì)量，而且可以也可以發(fā)現(xiàn)一些程序影響因素，這會幫助我們將程序做到最好來采取改善的措施，然后我們將討論最佳的回轉(zhuǎn)速度和背面的推力
4．1 回轉(zhuǎn)速度的沖擊
金屬的塑性破壞一定伴隨著速度的破壞，所以回轉(zhuǎn)速度關(guān)系到管子的彎曲質(zhì)量，我們將彎曲不同速度下的相同管子 ：0.4 rad／s，1.0 rad／s 和 1.6rad／s 比較他們的橢圓度 其結(jié)果顯示在圖7中
圖7，不同回轉(zhuǎn)速度下的橢圓比
顯然我們使用越高的速度，使管變形的時間就會越短，這樣將不利于我們得到高質(zhì)量的管，這就建議我們減慢速度會有益與質(zhì)量，
4．2 背部力量的沖擊
在實(shí)際生產(chǎn)中，背部受力總是可以得到更好的質(zhì)量，在這里來模擬，（如圖8所示）
我們能見到在管的最后使用了大的推力，我們就會得到更高的質(zhì)量，但是這個影響不是很顯著，在模塊化的模擬中我們已經(jīng)忽略了可逆破壞結(jié)構(gòu)的影響，如果這個結(jié)構(gòu)被采取，正如當(dāng)真正生產(chǎn)時，材料會流動到結(jié)構(gòu)的縫隙中，這會非常有益于質(zhì)量參數(shù)，除此之外，在推力被應(yīng)用以后，回轉(zhuǎn)的時間就會大大減小，那對大管的彎曲是很重要的。
圖8，不同推力下的橢圓比的比較
5 結(jié)論
一個FEM數(shù)字模擬系統(tǒng)的建立可以展示冷管的彎曲，比如橢圓比，側(cè)壁的變薄比和設(shè)備的驅(qū)動力，計算機(jī)將模擬計劃和使計劃被預(yù)測，與實(shí)際生產(chǎn)做比較，模擬的方法被證明比通過試驗-生產(chǎn)的方法得到更高的效率和經(jīng)濟(jì)性。
參考：
（1） 羅模占駝羅（印度的一個神教，）松緊帶-塑性破壞的力學(xué)基礎(chǔ)預(yù)測在經(jīng)過一個側(cè)壁圓周的管的彎曲中，交易在印度的金屬學(xué)會進(jìn)行，2005，58 (2)：461—466
（2） 自應(yīng)力加工中的厚壁彎曲管，國際機(jī)械學(xué)會的記載2O04，46(11) 1675—1696．
（3） 貝克.海德。幾何學(xué)在攀爬900的失敗中具有影響力，用開始的狀態(tài)給彎曲管增壓了，國際壓力管道，2005，82，（7）：509-16
（4） 賴一喃 張光欲 于好喃 。數(shù)字的模擬和旋轉(zhuǎn)的彎曲管的最佳設(shè)計 提供了材料和技術(shù)。2008。10-12：172-176。
（5） 魏施 彎曲管的做圖制造技術(shù)的數(shù)字分析，力量工程學(xué)。2003，19（4）：89-92
（6） 胡中，對當(dāng)?shù)氐挠酶袘?yīng)加熱一個大的半徑厚壁管的彎曲進(jìn)行研究。中國機(jī)械工程。1998，9（3）：19-22。
接收 2006-05-07
根據(jù)哈爾濱科學(xué)和技術(shù)局 (授權(quán)號 2007 RFXXGO26) 黑龍江省對外貿(mào)易部贊助
(授權(quán)號11511069)．