管线钢预弯弹塑性影响因素仿真分析

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Analysis of Influence Factors on Pipeline Steel Preflex Elastic-PlasticSHI Xian-jin -，WANG Bao-chao ，NAN Guang-xi ，LIU Hong-qi(1.Mechanical Science Research Institute，Chinese Machine Productivity Promotion Center，Beijing 100044，China；2.Mechanical Engineering Department，University of Science&Technology Beijing，Beijing 1 00083 China)Abstract：On the basis of FEM software，elastic-plastic features of XS0 pipeline steel plate in the state ofpreflex weresimulated and then the influences factoon pipeline steel preflex elastic-plastic were analyzed.Elastic-plastic deformationand stress weTe deeply analyzed on the condition of diferent loads，under support$parts and unde r pressure radiuses.Therelationship between the three factors and preflex deformation results Was discussed by， Ⅱ， offixed-variable-method.Byextracting some ofthe stress and strain ofthe results.50，ne conclusions are achieved：positive relationship between the plasticstrain of the X80 plate and load and span；overall，inverse relationship between the radius and plastic strain；With theincrease ofload or span，the curve trend ofload-strain or span-strain is becoming increasingly steep and the impactfactor ofload is biggerthan that 0厂span；The curve ofradius and strain is showingwave-like downward trend which is not pure inverserelationship.In addition，elastic-plastic range is also impacted by the threefactors。

Key W ords：X80 Pipeline Steel；Preflex；Elastic-Plastic；Influences Factors；FEMl 了l百X80级管线钢是-种高强度管材成型材料，目前已经成功应用于油气运输管路 1 X80管线钢的成功应用 目的在于降低高压输气，降低管线耗材。其强度在原来使用钢材的基础上有明显提高。外国X80级管线钢的开发已有 20多年 ，生产与使用也有15年以上的历史，国内已经展开了研究，并且也有实际应用的例子 。管路在成型之前预先对焊接位置进行预弯处理以方便后期大变形弯曲和管缝焊接。板材预弯的作用在于对要进行大弯曲变形的板材对其预先进行-定的弯曲加工，以便使后续弯曲变形更容易，提高管线成品质量，所以板材预弯效果直接影响后续加工，板材的预弯弹塑性影响因素就具有重要的研究价值。

2模型的建立2.1几何模型在现有实际工程应用的基础之上，对板材预弯结构的几何模型进行适当简化后，得到几何模型，如图1所示。该几何模型是由实际的三维模型根据对称原则简化而来的二维截面模型，沿着板材纵向方向上受到均布压强载荷，在其任-中间截面上无论是受载还是变形都是相等的，二维模型不仅能正确反映实际工况，又能节省仿真分析时间。

图 I二维预弯模型Fig.1 Two-Dimensional Bending Model2-2网格模型网格数量、网格密度和良好的单元形状 都是会影响分析来稿日期：2012-08-14作者简介：石献金，(1985-)，女，河北石家庄辛集人，在读博士研究生，主要研究方向：机械制造 [程技术研究刘红旗，(1959-)，男，北京海淀区人，博士，研究员，主要研究方向：机械制造工程技术研究第6期 石献金等：管线钢预弯弹塑性影响因素仿真分析 63结果的，该板材预弯二维模型均采用 PLANE42即structural solidquad 4node42面单元 ，共划分 2359个 单元 ，2349个节 点 。

PLANE42单元模型适用于二维实体模型的构建，既可以作为平面应力应变的面单元，也可作为轴对称单元，由四个拥有 、v方向两个自由度的节点构成。该单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力硬化、大缺陷以及大应变性能。

2.3材料模型结合文献 得到材料的非线性，如图2所示。根据图2中材料属性，X80管线钢的应力应变曲线在仿真软件中依据 Mises准则选用结构非线性(Structural-Nonlinear)，通过参数设置采用节点定义材料非线性 。此处，弹性模量 为 2.05el1Pa，泊松比肛为0.3，屈服极限 为(550～600)MPa，对应发生的极限弹性应变为0.0028，最高抗拉强度极限为(675～805)MPa(-定条件下最高达到极限应力 805MPa)。

ooO800皇600400200OfU U.1 U.Z U j U.4 U.，应变s图2材料非线性应力-应变关系Fig.2 The Nonlinear Stress-Strain Relationship2.4载荷及边界条件根据实际工程应用以及模型简化准则，如图3所示。预弯结构中固定下模具，施加全约束限制x，y方向的位移，上模具可上下移动，故仅约束其左右方向的位移，板材自由放在两个模具之间，通过接触单元进行力和位移的传递，均布压强作用于上模具的顶部，其大小等于压下力与上模具面积的比值。预弯结构中有两处接触，分别是上压模具与板材上表面之间的面面接触以及板材下表面与下支撑模具之问的面面接触，表现在二维模型中即为线线接触。

图 3载荷及边界条件Fig.3 Loads and Bounda Conditions3有限元分析借助仿真软件 ANSYS对 X80板材进行了预弯应变弹塑性有限元分析，得到以下应变云图。经过分析可知，改变载荷、跨距、半径三种因素所得到的有限元仿真结果云图显示基本-致，故固定三因素，仅对其中-种应力应变结果云图进行详细说明，其他分析结果均以此作为参考。在图3所示载荷及边界条件下，以载荷 33.33MPa，跨距 150mm，上压半径 70mm的工况为例，得到分析结果，如图 4、图 5所示。由图4可知，最大应变发生在板材位于跨距中心线处的下表面，表现为拉伸应变状态，其次是板材上表面由于受到上压模具的直接接触，表现为压缩应变状态。此外，还可以看出位于板材跨距中心处的弹性应变表现出工”字应变云图，最大应变由上下边缘逐渐向板材中性层 ol过渡，整个板材在下压载荷作用下应变表现为上压下拉状态，且存在应变扩展，服从材料力学中纯弯曲变形的变形几何关系，如图5所示。

图4弹性应变云图Fig.4 Elastic Strain图5变形几何关系Fig.5 The Geometric Deformation4仿真结果以上分析结果仅是从点的层面上讨论了三要素对板材弹塑性应变的影响，板材变形不单是-个点的位移变化，而是-个多点范围的变化，表现在二维模型中由31个节点构成的研究轨迹，如图6所示。由中间向两侧每-个节点的应力应变都可以数值表征和图形显示，能够清晰的看出随着载荷、跨距、半径的变化而随之发生的板材的变形结果的变化。

图 6仿真提取轨迹Fig.6 The Simulation Trajectory某-加载模型板材下边缘仿真分析结果提取的总应变、等效弹性应变、等效塑性应变的数据线图，如图7所示。很明显可以看出在跨距中心处塑性应变量最大，逐渐向两侧减小 ，且变化比较急促。图7提供了三种应变的变化趋势，并不能作为定量的分析。某-加载模型板材下边缘仿真分析结果提取等效应力数据线图，如图 8所示∩以看出应力的变化趋势基本服从于弹性应变的趋势，由于应力同时受弹塑性应变的共同影响，变化幅度稍大64 机械设计与制造No.6June.201 3- 些，而究其受那种应变影响大，要针对具体的工况来定。

8.3387.7046.8485.992to 5.1364.283.4242.5681.712.8560/ t/ f /3f lf f 、 /1f f - / 1 、 O 100 20o 300 400 50o50 5O 250 350 450距离 DIST(mn1)1.塑性应变 2.弹性应变 3.总应变图7下边缘三种应变Fig.7 Three Strain Results of the Lower Edge655.745553.806527.865- 461.924重393 983230.042264.1O1198.16132.2l566.278.337， 、。

f l 、1. L0 100 200 300 400 50050 150 250 350 450距离 DIST(mm)图8下边缘等效应力Fig.8 The Equivalent Stress of the Lower Edge采用固定变量法从纵向的角度分别单独分析了载荷、跨距、半径三种因素对板材弯曲变形结果的影响，下面从横向和纵向两个角度进行分析。载荷与跨距的变化既影响塑变的大小，如图9所示。叉影响发生塑变的范围；不同的是下压半径的大小变化并没有直接影响塑变大型范围，表现出参差不齐的变化趋势，可见同前文分析- 致，半径与塑变不存在纯粹的正比反比关系，而要同时结合载荷和跨距来综合评定结果。不同工况条件从小到大的过程中，起初载荷的影响因子最大，其次是跨距。当工况增大到-定程度，载荷和跨距的影响因子几乎保持-致。而在整个过程中，半径的影响因子总体下滑，但幅度比较平缓。

1.·载荷2- 跨距/ 3-嗤-半径1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 l2 13仿真次数图9塑变比重Fig.9 The Proportion of Plastic Strain in Total Strain5结论X80钢板材预弯的最终目的在于管线的形成，那么板材的弹塑性变形直接影响后续大弯曲成形以及最终管线的圆度和连接焊缝的焊接质量。通过对预弯结构的仿真模拟，对载荷、跨距、半径 要素和弹塑性应变之间的关系进行了深入的研究分析，得到以下结论：(1)载荷、跨距对板材弹塑性应变的影响呈正比关系，即在其中两要素确定后随着载荷或跨距的增大，板材下表面的塑变随之呈增大趋势，由此可以推断在应力应变扩展的基础上会伴随发生大范围的塑变；(2)随着载荷或跨距的增大，在总应变中存在的塑变的比重亦呈增大趋势.即载荷-塑变或跨距-塑变变化曲线越来越陡；(3)载荷较跨距的影响因子要大，即固定其余变量后，两者相同的增大程度所造成的塑变随载荷所发生的变化大；(4F压半径对板材弹塑性应变的影响表现为非纯粹的反比关系，而是呈现出参差不齐的平缓反比关系；(5)三种因素不仅对弹塑性应变、应力的峰值产生影响，而且对其变化范嗣亦有影响。基于以上结论以及文章的分析内容，建议根据具体工况、具体丁程应用并结合预先的仿真模拟，找到合适的载荷、跨距、半径范围，确定三者的最佳配比关系，从而达到设想的预弯目的。