CN116933414A - 一种高频焊管成型模拟计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高频焊管成型模拟计算方法,包括定义钢带的材料参数;建立计算模型;对计算模型进行网格划分,得到网格模型;设置接触参数:钢带与各辊轮的接触形式与接触参数设置;设置初始条件:刚体自由度、钢带自由度和辊轮旋转速度;网格模型应用在LS‑DYNA求解器中求解;结果分析处理。本方法通过计算模拟可以确定管子的成型参数,避免了通过试制品来确定成型参数的方法,本方法可以减少生产过程中的试验,降低了生产成本,减少了制造的时间和耗费的成本,从而提高了生产效率。本高频焊管成型模拟计算方法可以对钢管成型过程中的一些影响因素进行预测和控制,提高了生产质量,解决实际生产问题具有一定的参考价值,具有较大的推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及高频焊管生产领域,尤其是涉及一种高频焊管成型模拟计算方法。
背景技术
高频焊管成型是钢带到钢管的变形过程,主要经过粗成型、弯边、TBS成型、精成型等工序,成型过程较为复杂,相关成型工艺参数主要依据生产性经验获得,无法在线分析各参数的内在影响因素。如若某个参数设置不合理,将会造成成型的板边出现波浪塑性变形,使得合缝时无法对齐焊接。高频焊管成型过程涉及到高度非线性问题,包括几何非线性、材料非线性、接触非线性,采用动力学的隐式算法求解软件一般情况下很难收敛,得不到较好的计算结果,为此我们提出一种高频焊管成型模拟计算方法用于解决上述问题。
发明内容
本发明提供了一种高频焊管成型模拟计算方法,解决高频焊管,成型过程较为复杂,依据生产性经验获得,无法在线分析各参数的内在影响因素,容易导致高频焊管生产质量不合格的问题。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:一种高频焊管成型模拟计算方法,包括以下步骤:S1、定义钢带的材料参数;
S2、建立计算模型:依照顺序建立钢带、粗成型区域、弯边区域、排辊区域、精成型区域和挤压区域的区域模型;
S3、对计算模型进行网格划分,得到网格模型;
S4、设置接触参数:钢带与各辊轮的接触形式与接触参数设置;
S5、设置初始条件:刚体自由度、钢带自由度和辊轮旋转速度;
S6、网格模型应用在LS-DYNA求解器中求解,并设置物理时间和求解参数,进行求解计算;
S7、结果分析处理:对计算结果数据可视化,包括形变、不同成型阶段应力分布、成型过程展示。
优选的方案中,步骤S2中,计算模型包括:A1:确定焊接工艺和设备参数,包括高频电流大小、电极间距、线速度;
A2:计算各模型材料的材料力学性能,如弹性模量、屈服强度、断裂韧性;
A3:数值仿真或试验,得出焊接后管材的形变、应力分布参数;
A4:建立高频焊管计算模型,进行优化设计和参数调整。
优选的方案中,钢带的模型包括长度、宽度、厚度,对钢带该模型进行抽面处理,定义厚度,钢带上方、下方各定义一块支撑板,支撑板按照抽面处理。
优选的方案中,S2中,粗成型区域模型包括第一粗成型辊组、第二粗成型辊组、第三粗成型辊组和第四粗成型辊组,粗成型区域模型各辊组之间设置间距;
弯边区域模型包括弯边辊组;
排辊区域模型包括第一排辊组和第二排辊组;
精成型区域模型包括第一精成型辊组、第二精成型辊组和第三精成型辊组;
挤压区域模型包括挤压辊组;
计算模型按钢带、第一粗成型辊组、弯边辊组、第二粗成型辊组、第一排辊组、第三粗成型辊组、第四粗成型辊组、第二排辊组、第一精成型辊组、第二精成型辊组、第三精成型辊组、挤压辊组顺序分布;
优选的方案中,S3中,对计算模型进行网格划分的步骤为:
B1、钢带面采用四边形网格划分,辊组采用四面体方法划分,并设定相关网格尺寸;
B2、对计算区域进行离散化,将其分割成单元或节点;
B3、计算要求对单元或节点进行编号,将单元或节点之间的连接关系建立起来,形成拓扑结构;
B4、输出网格文件并导入到计算软件中进行模拟,得到网格模型。
优选的方案中,S4中,钢带上表面、下表面分别与支撑板接触,接触类型设置为无摩擦接触,并设置钢带与各区域模型的上下辊外表面、侧面辊轮的接触形式,摩擦接触类型均设置摩擦系数。
优选的方案中,S5中,除钢带外,其余区域模型均为设置为刚体,钢带的初始条件包括钢带的前进端施加位移时程曲线来让钢带向前运动,粗成型区域至精成型区域的辊轮旋转速度逐级递增。
优选的方案中,S5中,钢带前端施加位移约束,钢带上方、下方支撑板设置为固定约束;
粗成型区域设置为绕X轴旋转,精成型区域的上下辊设置为绕X轴旋转;
挤压侧辊设置为绕Y轴旋转并给定一个旋转速度,挤压下辊设置为绕X轴旋转;
弯边区域的辊组、排辊区域、精成型区域的侧辊、挤压区域的上辊均设置为固定;
底辊设置为绕X轴旋转。
优选的方案中,网格模型应用在LS-DYNA求解器中求解的步骤为:
C1、设置求解器参数和边界条件;
C2、进行模拟计算:求解器根据设定的初始条件和边界条件对网络模型中的网格尺寸进行计算
C3、分析结果,评估模拟的准确性;
C4、生成报告。
本发明的有益效果为:非线性显式动力学分析软件LS-DYNA特别适合非线性结构的金属成型、动力冲击等问题,不存在收敛性问题,可以得到较好的计算结果。同时模拟计算方法能够研究具体工艺参数对成型过程的影响,对于指导高频焊管成型工艺参数的制定。网络模型采用四边形网格划分将区域划分为四边形,使得模拟所需网格数量少、结构简单、计算精度高,并且更适用于计算,四边形网格划分相对于其他网格分割方法,很容易保持横向的均匀性,从而适合并行计算,有较好的并行计算效果。格划分具有计算精度高、易于数据处理、提高建模效率。
一种高频焊管成型模拟计算方法能够用于分析高频焊管整个成型过程中的变形过程,不会造成成型的板边出现波浪塑性变形,避免使得合缝时无法对齐焊接。
本方法通过计算模拟可以确定管子的成型参数,避免了通过试制品来确定成型参数的方法,本方法可以减少生产过程中的试验,降低了生产成本,减少了制造的时间和耗费的成本,从而提高了生产效率。本高频焊管成型模拟计算方法可以对钢管成型过程中的一些影响因素进行预测和控制,提高了生产质量,解决实际生产问题具有一定的参考价值,具有较大的推广价值。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明;
图1是本发明整体结构的有限元模拟示意图;
图2是本发明钢管的钢管等效塑性应变分布及变形云图;
图3是本发明钢管过粗成型段变形局部云图;
图4是本发明钢管过精成型段变形局部云图;
图中:钢带1;第一粗成型辊组2;弯边辊组3;第二粗成型辊组4;第一排辊组5;第三粗成型辊组6;第四粗成型辊组7;第二排辊组8;第一精成型辊组9;第二精成型辊组10;第三精成型辊组11;挤压辊组12。
具体实施方式
实施例1:
如图1-4中,一种高频焊管成型模拟计算方法,包括以下步骤:S1、定义钢带的材料参数;
S2、建立计算模型:依照顺序建立钢带1、粗成型区域、弯边区域、排辊区域、精成型区域和挤压区域的区域模型;
S3、对计算模型进行网格划分,得到网格模型;
S4、设置接触参数:钢带1与各辊轮的接触形式与接触参数设置;
S5、设置初始条件:刚体自由度、钢带1自由度和辊轮旋转速度;
S6、网格模型应用在LS-DYNA求解器中求解,并设置物理时间和求解参数,进行求解计算;
S7、结果分析处理:对计算结果数据可视化,包括形变、不同成型阶段应力分布、成型过程展示。
优选的方案中,步骤S2中,计算模型包括:A1:确定焊接工艺和设备参数,包括高频电流大小、电极间距、线速度;
A2:计算各模型材料的材料力学性能,如弹性模量、屈服强度、断裂韧性;
A3:数值仿真或试验,得出焊接后管材的形变、应力分布参数;
A4:建立高频焊管计算模型,进行优化设计和参数调整。
优选的方案中,钢带1的模型包括长度、宽度、厚度,对钢带1该模型进行抽面处理,定义厚度,钢带上方、下方各定义一块支撑板,支撑板按照抽面处理。
优选的方案中,S2中,粗成型区域模型包括第一粗成型辊组2、第二粗成型辊组4、第三粗成型辊组6和第四粗成型辊组7,粗成型区域模型各辊组之间设置间距;
弯边区域模型包括弯边辊组3;
排辊区域模型包括第一排辊组5和第二排辊组8;
精成型区域模型包括第一精成型辊组9、第二精成型辊组10和第三精成型辊组11;
挤压区域模型包括挤压辊组12;
计算模型按钢带1、第一粗成型辊组2、弯边辊组3、第二粗成型辊组4、第一排辊组5、第三粗成型辊组6、第四粗成型辊组7、第二排辊组8、第一精成型辊组9、第二精成型辊组10、第三精成型辊组11、挤压辊组12顺序分布;
优选的方案中,S3中,对计算模型进行网格划分的步骤为:
B1、钢带1面采用四边形网格划分,辊组采用四面体方法划分,并设定相关网格尺寸;
B2、对计算区域进行离散化,将其分割成单元或节点;
B3、计算要求对单元或节点进行编号,将单元或节点之间的连接关系建立起来,形成拓扑结构;
B4、输出网格文件并导入到计算软件中进行模拟,得到网格模型。由此结构,,四边形网格划分将区域划分为四边形,使得模拟所需网格数量少、结构简单、计算精度高,并且更适用于计算,四边形网格划分相对于其他网格分割方法,很容易保持横向的均匀性,从而适合并行计算,有较好的并行计算效果。格划分具有计算精度高、易于数据处理、提高建模效率。
优选的方案中,S4中,钢带1上表面、下表面分别与支撑板接触,接触类型设置为无摩擦接触,并设置钢带1与各区域模型的上下辊外表面、侧面辊轮的接触形式,摩擦接触类型均设置摩擦系数。
优选的方案中,S5中,除钢带1外,其余区域模型均为设置为刚体,钢带1的初始条件包括钢带1的前进端施加位移时程曲线来让钢带1向前运动,粗成型区域至精成型区域的辊轮旋转速度逐级递增。
优选的方案中,S5中,钢带1前端施加位移约束,钢带1上方、下方支撑板设置为固定约束;
粗成型区域设置为绕X轴旋转,精成型区域的上下辊设置为绕X轴旋转;
挤压侧辊设置为绕Y轴旋转并给定一个旋转速度,挤压下辊设置为绕X轴旋转;
弯边区域的辊组、排辊区域、精成型区域的侧辊、挤压区域的上辊均设置为固定;
底辊设置为绕X轴旋转。
优选的方案中,网格模型应用在LS-DYNA求解器中求解的步骤为:
C1、设置求解器参数和边界条件;
C2、进行模拟计算:求解器根据设定的初始条件和边界条件对网络模型中的网格尺寸进行计算
C3、分析结果,评估模拟的准确性;
C4、生成报告。
实施例2:
结合实施例1进一步说明:管径尺寸直径为406.4mm进行全流程仿真分析,定义钢带1的材料为L290,密度7.85g/cm^3,泊松比为0.3,屈服强度290MPa,切线模量为8.9GPa。
依照顺序建立钢带1、粗成型区域、弯边区域、排辊区域、精成型区域、挤压区域的有限元模型;钢带1的宽度为1276mm,厚度为6.0mm,长度为24m;第一粗成型辊组2、第二粗成型辊组4、第三粗成型辊组6、第四粗成型辊组7的上下辊之间间距分别为6.2mm、6.2mm、6.4mm、6.4mm。
计算模型直角坐标系设置为:
钢带1前进方向为Z轴正向;
垂直钢带1平面向上为Y轴正向。钢带1前进端施加位移约束;
钢带1上方、下方支撑板设置为固定约束;
粗成型辊组1至粗成型辊组4设置为绕X轴旋转,其他方向固定;
第一粗成型辊组2到第四粗成型辊组7的上下辊设置为绕X轴旋转,其他方向固定;
挤压侧辊设置为绕Y轴旋转并给定一个旋转速度,挤压下辊设置为绕X轴旋转,其他方向固定;
弯边区域的辊组、排辊区域、精成型区域的侧辊、挤压区域的上辊均设置为固定;
底辊设置为绕X轴旋转;
其余所有底辊设置为绕X轴旋转,其他方向固定。因钢带经过各辊的过程中呈对称性形变,分析模型选用1/2的模型量以减少仿真分析的计算量。
对建立的计算模型进行网格划分,钢带1面采用四边形网格划分,并设定钢带1的网格尺寸为10mm,辊组采用四面体方法划分,弯边辊组和排辊组的网格尺寸为20mm,精成型辊组和挤压辊组的网格尺寸为40mm,其他按照系统默认设置。
钢带与粗成型区域上下辊、精成型区域上下辊、挤压侧辊之间设定摩擦接触,设定摩擦系数为0.2,钢带与支撑板、弯边辊、排辊组、精成型区域侧辊、挤压上下辊之间设置无摩擦接触。
设定钢带1前进方向,并按照要求设定各辊轮的旋转自由度与平移自由度。成型分析中设定驱动辊转速,沿着钢带前进方向,辊速逐渐加快,避免堆钢。钢带前进平均速度为18米/分钟,设置各驱动辊组线速度如下表所示。需按照各驱动辊的回转半径换算为各驱动辊的旋转角速度进行定义。
将计算模型应用在LS-DYNA求解器中求解,设置求解结束的时间为9.6s,求解器根据设定的初始条件和边界条件对网络模型中的网格尺寸进行计算,分析结果,评估模拟的准确性;生成报告,进行求解计算。
网格计算结果对计算结果和计算速度影响非常大,网格尺寸太大将无法准确捕捉钢板的边部波浪,网格尺寸太小会导致计算量太大。为达到高精度的结果,需要大量地调试并搭配出一套合适的网格、接触设置、边界条件与分析设置等的最佳参数配置。
根据计算结果选取整段钢管等效塑性应变分布及变形云图,钢管在粗成型区域、精成型区域等效塑性应变分布及变形云图。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案,而不应视为对于本发明的限制,本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案,包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进,也在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高频焊管成型模拟计算方法,其特征是:包括以下步骤:S1、定义钢带的材料参数;
S2、建立计算模型:依照顺序建立钢带(1)、粗成型区域、弯边区域、排辊区域、精成型区域和挤压区域的区域模型;
S3、对计算模型进行网格划分,得到网格模型;
S4、设置接触参数:钢带(1)与各辊轮的接触形式与接触参数设置;
S5、设置初始条件:刚体自由度、钢带(1)自由度和辊轮旋转速度;
S6、网格模型应用在LS-DYNA求解器中求解,并设置物理时间和求解参数,进行求解计算;
S7、结果分析处理:对计算结果数据可视化,包括形变、不同成型阶段应力分布、成型过程展示。
2.根据权利要求1所述一种高频焊管成型模拟计算方法,其特征是:步骤S2中,计算模型包括:A1:确定焊接工艺和设备参数,包括高频电流大小、电极间距、线速度;
A2:计算各模型材料的材料力学性能,如弹性模量、屈服强度、断裂韧性;
A3:数值仿真或试验,得出焊接后管材的形变、应力分布参数;
A4:建立高频焊管计算模型,进行优化设计和参数调整。
3.根据权利要求2所述一种高频焊管成型模拟计算方法,其特征是:钢带(1)的模型包括长度、宽度、厚度,对钢带(1)该模型进行抽面处理,定义厚度,钢带上方、下方各定义一块支撑板,支撑板按照抽面处理。
4.根据权利要求1所述一种高频焊管成型模拟计算方法,其特征是:S2中,粗成型区域模型包括第一粗成型辊组(2)、第二粗成型辊组(4)、第三粗成型辊组(6)和第四粗成型辊组(7),粗成型区域模型各辊组之间设置间距;
弯边区域模型包括弯边辊组(3);
排辊区域模型包括第一排辊组(5)和第二排辊组(8);
精成型区域模型包括第一精成型辊组(9)、第二精成型辊组(10)和第三精成型辊组(11);
挤压区域模型包括挤压辊组(12);
计算模型按钢带(1)、第一粗成型辊组(2)、弯边辊组(3)、第二粗成型辊组(4)、第一排辊组(5)、第三粗成型辊组(6)、第四粗成型辊组(7)、第二排辊组(8)、第一精成型辊组(9)、第二精成型辊组(10)、第三精成型辊组(11)、挤压辊组(12)顺序分布。
5.根据权利要求1所述一种高频焊管成型模拟计算方法,其特征是:S3中,对计算模型进行网格划分的步骤为:
B1、钢带(1)面采用四边形网格划分,辊组采用四面体方法划分,并设定相关网格尺寸;
B2、对计算区域进行离散化,将其分割成单元或节点;
B3、计算要求对单元或节点进行编号,将单元或节点之间的连接关系建立起来,形成拓扑结构;
B4、输出网格文件并导入到计算软件中进行模拟,得到网格模型。
6.根据权利要求1所述一种高频焊管成型模拟计算方法,其特征是:S4中,钢带(1)上表面、下表面分别与支撑板接触,接触类型设置为无摩擦接触,并设置钢带(1)与各区域模型的上下辊外表面、侧面辊轮的接触形式,摩擦接触类型均设置摩擦系数。
7.根据权利要求1所述一种高频焊管成型模拟计算方法,其特征是:S5中,除钢带(1)外,其余区域模型均为设置为刚体,钢带(1)的初始条件包括钢带(1)的前进端施加位移时程曲线来让钢带(1)向前运动,粗成型区域至精成型区域的辊轮旋转速度逐级递增。
8.根据权利要求1所述一种高频焊管成型模拟计算方法,其特征是:S5中,钢带(1)前端施加位移约束,钢带(1)上方、下方支撑板设置为固定约束;
粗成型区域设置为绕X轴旋转,精成型区域的上下辊设置为绕X轴旋转;
挤压侧辊设置为绕Y轴旋转并给定一个旋转速度,挤压下辊设置为绕X轴旋转;
弯边区域的辊组、排辊区域、精成型区域的侧辊、挤压区域的上辊均设置为固定;
底辊设置为绕X轴旋转。
9.根据权利要求1所述一种高频焊管成型模拟计算方法,其特征是:网格模型应用在LS-DYNA求解器中求解的步骤为:
C1、设置求解器参数和边界条件;
C2、进行模拟计算:求解器根据设定的初始条件和边界条件对网络模型中的网格尺寸进行计算
C3、分析结果,评估模拟的准确性;
C4、生成报告。
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CN117521430A (zh) * | 2024-01-08 | 2024-02-06 | 武汉理工大学 | 一种空心型材挤压模具分流孔快速优化方法 |
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CN117521430B (zh) * | 2024-01-08 | 2024-03-26 | 武汉理工大学 | 一种空心型材挤压模具分流孔快速优化方法 |
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CN117809785B (zh) * | 2024-02-28 | 2024-04-26 | 天河超级计算淮海分中心 | 基于超算的木业机械增材优化方法、电子设备和存储介质 |
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