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基于莫尔积分的校圆工具压紧力分析.docx
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基于莫尔积分的校圆工具压紧力分析.docx
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近年来,在工业、建筑业等行业上,钢管的需求量越来越大
[1]
,例如建筑结构用结构钢
管、管道运输钢管等
[2]
。由于钢管的加工制作过程中具有很多不可控因素
[3-4]
,例如卷板机卷曲
的弧度偏差,堆放、运输、改造的过程中发生碰撞
[5]
,导致生产出的钢管椭圆度虽然符合 GB
8162-1996 的行业标准
[6]
,但在实际的钢管组对对接过程中还是会出现管口与管口尺寸之间误
差过大
[7]
、焊口内壁的错边量过大的现象
[8]
,增加了焊接的难度并影响了焊接的质量
[9-10]
。国内
工业中的校圆方法存在着对中方式复杂、效率低下、操作难度高、母材浪费且磨损等缺点
[11-
13]
。针对以上现象,国内外对钢管校圆展开了大量的研究:Kumar 等
[14]
讨论了铝管焊接工艺。
刘波
[15]
研究了不锈钢管中不同锰含量对焊接质量的影响;Fadeev 等
[16]
对连续焊管机管坯变形
的具体方面进行了综述;Razani
[17]
对钢管预制体的圆度进行了实验研究;黄华贵
[18]
揭示大口径
无缝管十辊矫直机的矫直机理。
本文通过对结构用焊缝钢管校圆时的弹性形变展开有限元仿真,采用逆向加载的方式得到
此时压紧力的大小,对比简化前后的压紧力确定等效系数;利用莫尔积分法对圆环钢管的模型
进行分析,得到弹性形变下载荷和变形的可逆性理论数值和理论所需的最大压紧力;将有限元
仿真的结果与理论计算的结果进行对比,相互验证理论与仿真的有效性和准确性;通过最大压
紧力对校圆工具的卡爪选取制造材料并进行强度校核。
1. 钢管校圆工具分析
1.1 钢管校圆工具工作原理
如图 1 所示,将一对钢管管口的一侧短轴套入符合管径的卡块上,不断调整限位滑块将
另一侧的短轴卡入限位滑块的凸台上,利用位移传感器控制液压缸,同时改变该对钢管管口的
椭圆度使之相同。为了使校圆工具满足工作要求,液压缸驱动的校圆工具须能提供足够的压紧
力改变钢管管口的椭圆度。但过度提升的压紧力上限同时会增大工具工作时的负载,对材料强
度的要求提高,所以液压缸最大压紧力应建立在能完成所有系列钢管校圆工作的前提下,最大
限度的降低最大压紧力,可设计出结构紧凑的校圆工具。
图 1 校圆工具校圆原理
Fig. 1 Title calibration principle of calibration tool
下载: 全尺寸图片
1.2 钢管校圆所需最大压紧力的分析
该校圆工具能够进行多系列及壁厚的直焊缝钢管校圆。当钢管产生的变形相同时,压紧力
与钢管壁厚及直径的关系为:钢管的公称直径和壁厚等级的比例越小,则组对时对管口造成变
形所需的压紧力则越大,即压紧力 P 与厚径比 σ 成正比例,可以推论当管口变形量相同,厚径
比 σ 越大,液压缸提供的压紧力也越大;而当组对的钢管具有相同的厚径比时,相对椭圆度大
的钢管则调整的错边量就越大,液压缸则需提供更高的压紧力。根据上述分析得出结论:当钢
管组对时,最大压紧力 P 与厚径比 σ 和椭圆度 δ 成正比,即所有钢管系列中 σδ 最大者在组对
时所需要液压缸压紧力最大,所以应对最大直径的钢管进行研究。
由表 1
[19]
可知,直径 914 mm,壁厚 40 mm 系列钢管 σδ 的值最大,即该系列钢管可作
为模型进行模拟校圆。利用 Ansys 软件建立钢管模型,该钢管为椭圆,长轴为 915.375 mm,
短轴为 912.625 mm,厚度 40 mm,长为 1 000 mm 的有限元模型,钢管的横剖面最大直径比
最小直径长 2.75 mm。
表 1 各系列钢管参数
Table 1 Steel pipe parameters of each series
直径
D
/
mm
最小
壁厚
t
1
/
mm
最大
壁厚
t
2
/
mm
厚径比
σ
椭圆度
δ
σδ
406
13
20
0.049 26
2.426
0.120
508
13
25
0.049 21
3.048
0.150
610
13
25
0.040 98
3.660
0.150
762
16
38
0.049 87
4.572
0.228
直径
D
/
mm
最小
壁厚
t
1
/
mm
最大
壁厚
t
2
/
mm
厚径比
σ
椭圆度
δ
σδ
914
40
40
0.043 76
5.484
0.240
利用近似椭圆周长的计算公式,可得模型钢管的外径周长 L 为:
L=π[32(a+b)−ab−−√]=2 871.34 mmL=π[32(a+b)−ab]=2 871.34 mm
(1)
式中:a=458.75 mm,表示椭圆长轴;b=455.675 mm,表示椭圆短轴。
根据 GB-9948-2006 标准规定钢管的椭圆度不超过外径公差 80%;根据 GB 12771-2000
标准规定焊接外径大于 50 mm 的钢管允许偏差±0.8%D,即 E=0.8%×917=7.312 mm,所以该
系列钢管的椭圆度应小于 7.312 mm。
将椭圆钢管的长轴 458.375 mm 改变为 457 mm 后,不考虑外径的塑形变形,由式(1)可
得出短轴为 456.97 mm,此时的椭圆方程可近似表示为:
x24572+y2456.972=1x24572+y2456.972=1
(2)
校圆后钢管的椭圆度为 0.06 mm,仅达到允许偏差临界值的 1%,可以将校圆后的钢管视
作标准圆来进行计算。
利用校圆工具的位移传感器来约束行程,同时对钢管加载压紧力使钢管降低椭圆度达到工
程合格的圆度。钢管的变形量和压紧力成正比,若卡爪卡住钢管的椭圆长轴,则此时液压缸所
需压紧力最大。
在需求液压缸压紧力最大的校圆状态下(直径 914 系列钢管)进行有限元分析:进入采用标
记印记面方式在 XY 面绘制矩形后向 Z 方向投影标记该区域;印记面如图 2 所示,投影为长方
形,长为 200 mm,宽为 100 mm,投影到钢管面积为 S=31 993 mm
2
。进入 Model 模块对标
记好的印记面加载压力,施加的压力面压力为 6 MPa,方向指向印记面方向,即施加的总压紧
力为 1.92×10
5
N;在钢管的另一侧管口面加载支撑面。
图 2 印记面加载载荷
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