拉拔铍铜管材残余应力的有限元分析

借助大型非线性有限元软件,应用二维轴对称弹塑性有限元法对拉拔铍铜管的残余应力进行了分析。结果表明,在变形量相同的条件下,拉拔工艺不同,残余应力场有所不相同。空拉拔铍铜管材的外表面为很高的拉应力,内表面为很高的压应力;相对而言,固定短芯头拉拔管材的内外表面残余应力值相差较小且分布较均匀。外模半锥角对固定短芯头拔管材的轴向残余应力具有显著的影响;当半锥角为12°时,拉拔后管材的轴向残余应力值较小且分布均匀。     

无模拉拔成形连续柱状晶BFe10-1-1合金管材的残余应力

在拉拔温度850℃、拉拔速度0.7mm/s、进料速度0.5mm/s的条件下,对连续柱状晶组织BFe10-1-1合金管材进行无模拉拔成形,采用X射线法测定管材的残余应力,采用TEM进行微观组织分析,探讨了残余应力产生的机理。结果表明,沿着拉拔方向,无模拉拔合金管材的变形区外表面残余应力分布呈先升高后降低的趋势;已变形区残余应力值较为均匀;各点残余应力均为压应力,最大值为135MPa。无模拉拔成形过程中,连续柱状晶组织BFe10-1-1合金管材的晶界变得曲折,晶界周围出现不同密度的位错塞积,变形区沿拉拔方向的位错密度呈先增大再减小的趋势,这一趋势是导致产生不同程度残余应力的根本原因。     

冷变形管材残余应力测试与分析

用电阻应变片法测试了变形锡黄铜ＨＳｎ７０－１管材表面的残余应力，分析了拉拔管材变形参数对管材表面残余应力及其他性能指标的影响规律，结果表明，增大管材的减壁变形，可以显著地减小管材表面的拉伸残余应力，当减壁比ｔ０／ｔ１大于１．２时，拉拔管材的残余应力较小，经成品退火后管材晶粒组织细小，采用不同型变形方法生产的管材，其表面残余应力也遵循这一规律，２辊冷轧管材有很大的减壁变形，其表面产生了很大的压应力，     

残余应力影响冷拉拔钢丝强度梯度的数值仿真

针对通过剥离表面材料和后续单向拉伸试验得到的冷拉拔钢丝的局部强度沿半径方向分布不均匀,存在一定的强度梯度的问题,利用ABAQUS构建了二维轴对称的冷拉拔有限元模型,计算分析了拉拔后残余应力的分布规律。将数值结果赋予拉拔后续的单向拉伸模型,对比无残余应力的模型,残余应力的存在显著降低了钢丝的弹性模量和屈服强度,但对均匀硬化阶段影响较小。去除钢丝表面材料后残余应力会自平衡,但不会消失,导致后续单向拉伸行为明显不同。随着去除材料的增加,钢丝的弹性模量逐渐增加,而屈服强度不断降低。因此,残余应力的存在一定程度上增大了冷拉拔钢丝的强度梯度。     

锻造工艺参数对TC4钛合金锻件残余应力的影响

针对非等温锻造时TC4钛合金锻件极易产生较大残余应力的问题,依据物理实验,建立并调控仿真模型,通过数值模拟的方法,对不同锻造工艺参数下的TC4钛合金锻件的残余应力进行分析。研究了变形温度、变形程度以及变形速度3个关键参量对TC4钛合金锻件残余应力的影响,揭示了残余应力的变化以及分布规律。结果表明:TC4钛合金锻件的径向残余应力关于中心轴线呈对称分布,但分布不均匀,从外表层至心部,残余应力由拉应力转化为压应力,在中心处应力较为集中;而TC4钛合金锻件的轴向残余应力从上表面到下表面分布较为均匀,且明显小于径向残余应力;关键参量中的变形温度和变形程度对TC4钛合金锻件残余应力的影响较为显著,而变形速度的影响较小,适当提高变形温度和变形速度、减小变形程度,可降低TC4钛合金锻件的残余应力。     

碳钢与304不锈钢焊接残余应力的计算

采用弹塑性有限元法计算了Q235碳钢与304不锈钢的焊接温度场和焊接残余应力,计算结果表明,由于二者物理性能的差异造成了焊接温度场和残余应力分布的不均匀,焊接残余应力的峰值出现在304不锈钢一侧,其值略低于304不锈钢的屈服强度.当焊接热源偏向Q235钢时,焊接残余应力峰值变化较小,但高应力区减小,焊接变形明显减小,当焊接热源偏向304不锈钢时结果相反.当焊接热输入增大时会导致焊后高应力区范围的扩大,残余应力的峰值略有降低.采用红外热像仪测量了焊接过程中焊接接头上表面的温度变化情况,有限元计算的结果与其符合较好.     

Q800高强钢焊接工字形截面残余应力试验分析

为研究Q800高强钢焊接工字形截面的纵向残余应力分布规律,采用线切割法对4个试件进行试验研究,分析腹板和翼缘板件宽厚比对残余应力的影响,研究各板间残余应力的相互影响及其自平衡性,提出Q800高强钢焊接工字形截面的残余应力分布模型和计算公式. 结果表明,Q800高强钢工字形截面的残余应力分布形式与普通强度钢材的一致. 焊缝和火焰切割边附近呈现残余拉应力,且随着宽厚比的变化呈不规律变化;翼缘外伸部分中部和腹板中部都呈现基本恒定的残余压应力,且随着板件宽厚比的提高而相应减小;其余部位是从残余拉应力到残余压应力转变的过渡区域;翼缘和腹板内的残余应力基本满足自平衡条件,二者没有相互间的影响作用.     

外螺纹铜管拉深成形过程的有限元模拟

利用非线性有限元仿真软件MARC,研究了外螺旋凸筋管成形过程的三维弹塑性有限元模拟技术.对外螺纹铜管的拉深成形过程进行了模拟,得到了成形过程中工件内部的应力和应变分布规律.结果表明,拉拔过程中,管料发生轴向延伸,但各部分延伸量不均匀,最大延伸变形发生在筋底中心部分.在周向,整体上管料发生压缩变形,但在筋底部分产生一定的延伸,应变为正;径向发生压缩变形.在定径区及铜管离开定径区后,轴向应力均为拉应力,但沿壁厚分布不均匀;同样,拉拔周向应力沿壁厚方向也呈不均匀分布,出定径区后在筋底区的外表面为负,内表面为正.     

钛合金剪切旋压残余应力分布规律研究

应用X射线法测定了TC4钛合金残余应力分布,研究了剪切旋压变形温度、进给率和半锥角对残余应力分布的影响规律.试验结果表明,随着旋压进给比的增大,TC4钛合金工件表面残余压应力也随之增大;旋压变形温度对TC4合金表面残余应力的影响不显著,但当温度超过750℃,由于材料屈服强度的显著降低而导致坯料沿壁厚截面的变形不均,使残余应力急剧升高;合适的半锥角有利于降低工件的残余应力,半锥角过小或过大均会导致残余应力的急剧增大.从降低残余应力的角度,TC4合金旋压变形温度范围应控制在600℃～700℃,半锥角在30°～45°,并宜选用较低的进给比.     

国产钢制散热器短期腐蚀失效原因分析之一

本文对国产钢制散热器最易漏水区域,由于冲压成型过程中产生的不均匀变形和残余应力进行了测试和分析。残余应力测量的结果表明,散热器内表面存在有复杂的残余应力状态,说明散热器内表面的腐蚀在部分区域为应力腐蚀行为。不均匀变形测试结果表明局部区域应变过大是散热器短期腐蚀失效的主要原因,残余应力的存在加速了短期内腐蚀失效的进程。     

基于有限元模拟的20/316L复合管拉拔成形分析

为研究20/316L复合管拉拔成形过程,给出拉拔成形时轴向应力和径向应力对成形区内金属流动的影响,运用非线性有限元分析软件ABAQUS/Explicit,对20/316L复合管拉拔过程进行仿真,得到了拉拔完成后稳定拉拔阶段的轴向应力、径向应力及等效塑性应变的分布,分析了拉拔全过程内外管之间残余接触压力的变化,以及稳定拉拔阶段拉拔力的分布规律。实验表明,经参数优化后的硬质合金拉拔模具的工作寿命是未优化前模具的6倍,并且得到了具有优良综合性能的内衬不锈钢复合管,该研究可节约分析时间,降低成本,又可为提高复合管质量、延长模具寿命提供参考。     

圆管压扁-压弯连续变形过程有限元模型的建立及截面畸变研究

为研究圆管压扁-压弯连续变形过程中的截面畸变,基于有限元软件ABAQUS建立了该过程的三维有限元模型,并实验验证了其可靠性。分析了圆管压扁过程中的截面变化规律及弯曲下模圆角半径、模具与管材间的摩擦系数对成形过程截面畸变的影响。结果表明,圆管压扁过程中形成扁管直壁部分的材料在外层周向压应力、内层周向拉应力的合力作用下出现塌陷。形成扁管圆弧部分的材料在外层周向拉应力、内层周向压应力的合力作用下出现扁化。在无芯轴、有芯轴压扁成形前期,圆弧部分均出现扁化,且无芯轴压扁成形中期,直壁部分出现塌陷。但有芯轴压扁过程中芯轴的支撑作用不但抑制了直壁部分的塌陷,而且还矫正了成形后期圆弧部分的扁化。由于圆管压扁-压弯过程中模具与管材的接触区域始终不大,因此成形过程中弯曲下模圆角半径,及模具与管材间的摩擦系数,对截面畸变影响不显著。     

基于有限元模拟的20/316L双金属复合管拉拔参数的优化

借助有限元软件ABAQUS6.5模拟研究20碳钢作基管、316L不锈钢作内衬管的双金属复合管的拉拔成形过程,分析稳定拉拔阶段成形区内轴向、径向和环向应力的分布,找出拉拔后衬管出现横裂、纵裂及模具受磨损的原因,探讨拉拔力和内外管间残余接触压力的分布规律.通过正交实验法进一步研究拉拔参数(模具锥半角α、过渡圆弧半径r、定径带长度l、摩擦因数μ、拉拔速度v、模具直径d)对拉拔20/316L双金属复合管的影响,采用极差和方差分析法对模拟结果进行分析,得到复合管在最大残余接触压力条件下的最优拉拔工艺参数(α=11-、r=3 mm、l=7 mm、μ=0.05、v=0.03 m/s、d=17.3 mm)及各因素对分析指标的影响规律.在此基础上对优化方案进行数值模拟,模拟结果表明了正交实验对拉拔复合管参数优化的有效性.应用拉拔试验表明,参数优化后的硬质合金拉拔模具的工作寿命比未优化前硬质合金模具的工作寿命高出6倍.     

钢管混凝土拱桥大管径拱肋环焊缝焊接数值模拟

为了研究大管径拱肋环焊缝焊接接头残余应力分布规律,用ANSYS软件对直径1 400 mm,厚度26 mm的拱肋环焊缝进行了焊接温度场及应力场数值模拟. 分析了焊接过程的温度分布云图及应力分布云图,获取了特征节点的热循环曲线,分析了焊后内外表面各残余应力分布情况及内表面残余应力形成过程. 结果表明,等效残余拉应力峰值出现在钢管内表面焊缝底部. 焊后径向和环向残余应力在内、外表面大部分区域形成压应力,轴向残余应力在内、外表面形成拉-压相间的应力分布,等效残余应力在内、外表面均为拉应力. 残余应力形成过程中,第2 ~ 7层的径向、环向、轴向及等效残余应力曲线与第1层径向、环向、轴向及等效残余应力曲线相比,除在波峰及波谷处有较小变化外,其它区域残余应力几乎不变.     

薄壁铜管固定芯头拉拔和游动芯头拉拔的对比分析

为提高薄壁铜管拉拔后的成形质量,探讨不同拉拔工艺对薄壁铜管成形性能的影响,利用有限元软件MARC分别对两种拉拔成形工艺建立有限元模型,对比分析薄壁铜管固定芯头拉拔和游动芯头拉拔对拉拔力、铜管拉拔后等效应力、应变和残余应力的影响。结果表明:在相同工艺参数下,与固定芯头拉拔相比,游动芯头拉拔所需拉拔力明显更小,等效应力也相对更小,等效应变相等,残余应力在轴向和周向更小,且分布更均匀,在径向都趋近于0。在不考虑其他因素下,游动芯头拉拔更有助于提高薄壁铜管的产品质量。     

Isothermal and thermomechanical finite-element analysis of the tube drawing process using a fixed tapered plug

Quality is a very important feature in the manufacturing of products such as tube. Nonhomogeneous deformation, common to most metalforming operations, leaves the product in a cold worked state, resulting in a pattern of residual stresses. Depending on the nature and magnitude of residual stresses, they may be detrimental or beneficial to the strength and reliability of the product. To evaluate the residual stresses in the product, a complete stress analysis of the workpiece throughout the deformation history is required. In this study, a large deformation, nonlinear, elastic-plastic finite-element code was used to investigate the effect of friction, drawing speed, degree of plastic work (reduction in area), and the die/plug geometry on the extent of temperature increase, induced residual stresses, and the required drawing load in the drawing of oxygen-free high-conductivity (OFHC) copper tube using a fixed, tapered plug. Complete simulations of the tube drawing process were conducted by tracing its deformation history from the point at which it entered the die area until it exited the die. The resulting thermal effects were then used to determine the required drawing loads and induced residual stress distributions throughout the tube wall thickness. Similar simulations were conducted without taking into account the thermal effects. Equivalent plastic strain, equivalent stress, longitudinal stress, and circumferential residual stresses are presented and compared for both the isothermal and the thermally coupled analysis.     

双层不锈钢管三辊斜轧数值模拟与参数优化

设计了一种核电站一回路主管道用双层不锈钢管的复合成形工艺,解决了传统锻造或铸造工艺成品长度受限的问题,同时满足了复杂工作环境对管道性能的特殊要求。采用Deform-3D有限元模拟软件对外层21-2N奥氏体耐热不锈钢与内层12Cr-12Ni马氏体耐热不锈钢的双层套管三辊斜轧成形过程进行了模拟研究与参数优化,分析了双层不锈钢管的内外层变形情况、应力应变场及温度场的分布规律,并通过设计正交试验获得了最优变形的参数组合。模拟结果表明,三辊斜轧过程中,等效应力、等效应变与温度的最大值均集中在外层管与轧辊的接触区,且外层管整体性能参数要大于内层管。通过正交设计试验的极差分析与方差分析,最终获得最优变形参数为粗轧温度1 100°C,送进角8°,轧辊转速200r/min。     

管壁厚度起伏对空拔过程影响的三维弹塑性有限元模拟

采用三维弹塑性有限地对比分析了均壁管和非均壁管的空拔过程,模拟结果表明,空拔的均壁作用主要体现在外壁直径的均匀化上,内壁直径波动虽然也有所减小,但减小的幅度并不大,壁厚的波动不是造成拉拔力波动的主要因素,但壁厚的波动对变形区应和场有重要影响,并可显著影响残余应力的分布。     

二连式Y型三辊辊模空拔钢管研究

研究了利用二连式Ｙ型三辊辊模拉拔钢管生产新技术。与常规固定模空拔相比，新技术改变了变形区的摩擦条件、速度条件和变形条件，改善了金属变形的不均匀性，减小了金属与模具间的摩擦，致使拔后钢管残余应力明显降低。