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樓主 |
發(fā)表于 2011-4-8 13:38:40
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彎管工藝過程的受力分析及工藝分析
隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，各種物料的管道運輸系統(tǒng)日益增多，如石油輸送管道、天然氣輸送管道、輸水管道以及應(yīng)用在各種機(jī)器中的小型管道管路系統(tǒng)。在這些管道系統(tǒng)中，管道常需要改變方向，那么，不可避免地要用到各種彎管，其中圓弧型彎管應(yīng)用最廣。圓弧彎管相對于其它類型的彎管有許多優(yōu)勢，首先，各種物料在圓弧彎管處流動平穩(wěn)，對管壁沖擊力小且均勻；其次，圓弧彎管本身應(yīng)力集中小，強(qiáng)大高，抗沖擊力大。因此，圓弧彎管在各種管道系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。各種直徑、各種角度的圓弧彎管大多是用各種手動或機(jī)械彎管機(jī)加工生產(chǎn)出來的。目前，市場上加工彎管機(jī)械設(shè)備型號、規(guī)格非常多，其工作原理也有所不同。
彎管的工藝過程是一個復(fù)雜的彈性、塑性變形過程。材料發(fā)生彈性或塑性變形主要取決于材料內(nèi)部的應(yīng)力與應(yīng)變，而材料內(nèi)部的應(yīng)力或應(yīng)變主要由作用在材料上的外載荷引起的。在彎管過程中，管子彎曲部分內(nèi)部的應(yīng)力及應(yīng)變將發(fā)生復(fù)雜的變化，應(yīng)力及應(yīng)變的大小、方向及變化速度將影響到彎管的質(zhì)量。彎管過程中出現(xiàn)的各種質(zhì)量缺陷，如外管壁出現(xiàn)裂紋，內(nèi)管壁起皺，橫截面畸變等，一方面與材料本身性質(zhì)有關(guān)；另一方面與彎管機(jī)施加在管子上外載荷大小、方向、速度及外載荷間相對位置有關(guān)。本文嘗試從分析彎管工藝過程的內(nèi)應(yīng)力及應(yīng)變?nèi)胧�，得出影響彎管質(zhì)量的外在因素，為各種彎管機(jī)的設(shè)計，彎管工藝參數(shù)的選擇提供理論基礎(chǔ)上的支持。
這個問題雖然不是很復(fù)雜，但目前各種資料尚未對此加以系統(tǒng)、詳細(xì)地分析與闡述，本文想在最近幾年塑性力學(xué)發(fā)展成果及最近國內(nèi)外有關(guān)彎管機(jī)工作原理的研究與開發(fā)的基礎(chǔ)之上，對此問題進(jìn)行淺顯論述與說明。
1 彎管機(jī)的工作原理及受力分析
目前，國內(nèi)外生產(chǎn)的機(jī)械彎管機(jī)絕大部分采用如圖1.1所示的工作原理。
根據(jù)彎管機(jī)的工作原理,可分析得出管子在彎曲過程中所受力簡圖如圖1.2
所示。
其中，F(xiàn)為靠模作用在管子上的正壓力，N為轉(zhuǎn)模在與管子相切處作用在管子上的正壓力，其余部分作用在管子上的力較小且對管子彎曲變形影響不大，所以，可忽略不計。管子的彈性、塑性變形過程是在F至N作用點之間完成的。另外，夾緊模與轉(zhuǎn)模對管子的夾緊力，產(chǎn)生管子與轉(zhuǎn)模及夾緊模之間的靜摩擦力，該靜摩擦力導(dǎo)引管子沿轉(zhuǎn)模發(fā)生塑性變形，可使管子的彎曲部分的曲率半徑與轉(zhuǎn)模半徑保持一致。因管子另一端一般為自由端，所以，該靜摩擦力一般較小，且對管子彎曲塑性變形影響不大，因此，可忽略不計。
假設(shè)轉(zhuǎn)模轉(zhuǎn)速較低，則可認(rèn)為管子是在F、N作用下處于近似平衡狀態(tài)，所以可認(rèn)為F≈N。管子是在此二力作用下，不僅要發(fā)生彈性變形，而且進(jìn)一步還要發(fā)生塑性變形，即管子的彎曲變形。
2 管子彎曲變形過程中的內(nèi)力分析
在F與N作用點之間的管子段任取一橫截面，并假設(shè)該橫截面尚未發(fā)生塑性變形。運用材料力學(xué)知識分析可知，在這橫截面上存在兩個力，一個是橫截面上的剪力Q，另一個是橫截面上的彎矩M。根據(jù)靜力學(xué)平衡條件，可知：Q=F;M=F×X （0≤X≤L）其中，X為該橫截面距F作用點的軸向距離。
2．1橫截面上剪應(yīng)力分析
圖2.1
管子的橫截面可認(rèn)為是壁厚較小的環(huán)形截面。根據(jù)材料力學(xué)知識可知，環(huán)形截面內(nèi)，外圓周線上各點的剪應(yīng)力與圓周線相切，由于壁厚很小，可以認(rèn)為沿圓環(huán)厚度方向剪應(yīng)力均勻分布，并與圓周切線相平行。如圖2.1所示，Y軸為橫截面的對稱軸，Z軸為橫截面的中性軸。
環(huán)形截面剪應(yīng)力計算公式： = 。
其中，Τ—管子橫截面一點的剪應(yīng)力；
Q—管子橫截面上剪力； —管子
橫截面對中性軸Z的靜矩；t—管子的壁厚；
—管子橫截面對中性軸Z的慣性矩。
= = = R
S (θ為管子橫截面上一點徑向方向與Y軸正方向的夾角)。
把以上兩式代入剪應(yīng)力計算公式，可得 。由該式可知：當(dāng) 或 ，即在管子橫截面的中性軸處剪應(yīng)力最大， 。當(dāng) 或 ，即在管子橫截面的對稱軸處剪應(yīng)力最小， 。
2．2橫截面上正應(yīng)力分析
橫截面上彎矩使橫截面上產(chǎn)生彎曲正應(yīng)力，由材料力學(xué)知識可知，當(dāng)橫截面僅發(fā)生彈性變形，尚未發(fā)生塑性變形之前，橫截面上彎曲正應(yīng)力計算公式: 。其中， —管子橫截面對中性軸Z的慣性矩， ；M—管子橫截面上的彎曲， 。把慣性矩計算公式代入正應(yīng)力計算公式，可得 。由該式可知，當(dāng) ， ；當(dāng) ， ；當(dāng) ， ，即在管子橫截面中性軸處正應(yīng)力為0。
3 管子彎曲變形的應(yīng)變分析
管子彎曲變形工藝過程是一種塑性變性過程。管子的彎曲半徑應(yīng)與彎管機(jī)轉(zhuǎn)模半徑相等。假設(shè)管子中性層的曲率半徑為 ，則距中性層距離為y處管子平均應(yīng)變， ，（ 為彎管的彎曲角度）。彎管的最大正應(yīng)變 發(fā)生在彎管的最外側(cè)；彎管的最大負(fù)應(yīng)變 發(fā)生在彎管的最內(nèi)側(cè)。
由彎管機(jī)的工作原理可知，彎管上距中性層等距離處的平均應(yīng)變也是該層上每一點的應(yīng)變。
4 管子彎曲工藝過程中彈性與塑性變形分析
管子彎曲工藝過程就是一個彈性與塑性變形過程。這個過程發(fā)生在靠摸與轉(zhuǎn)模之間的L區(qū)間內(nèi)。由于管子橫截面上各點應(yīng)力狀態(tài)不同，所以，各點發(fā)生彈性與塑性變形量不同，發(fā)生塑性變形的時間也不同。
4．1管子橫截面上與對稱軸y軸交點的應(yīng)力狀態(tài)分析
管子橫截面上與對稱軸y的交點，即彎管的最外側(cè)點與最內(nèi)側(cè)點，處于單向應(yīng)力狀態(tài)。彎管最外側(cè)點處于單向拉伸應(yīng)力狀態(tài)；彎管最內(nèi)側(cè)點處于單向壓縮應(yīng)力狀態(tài)。由以上分析可知，彎管最外側(cè)點的正應(yīng)力 ；彎管最內(nèi)側(cè)點的正應(yīng)力 。對一般的彎管材料，可以認(rèn)為是理想的塑性材料，因此，可以認(rèn)為彎管的拉伸變形的屈服極限與壓縮變形的屈服極限相同，均等于材料的 。根據(jù)單向拉伸與壓縮變形屈服條件，當(dāng) 時，彎管最外側(cè)點與最內(nèi)側(cè)點開始發(fā)生塑性變形，根據(jù)塑性力學(xué)理論，理想塑性材料在塑性變形過程中， 、 將保持不變 。即 ， ，其中， 為總應(yīng)變， 為彈性變形應(yīng)變， 為塑性變形應(yīng)變。則實際的塑性變形應(yīng)變 ，這也說明彎管的實際塑性變形量等于總變形量減去彈性變形量，同時也說明當(dāng)彎管加工完成后卸載，彎管將有一部分彈性恢復(fù)，彈性恢復(fù)量的大小主要與加載速度和加載時間有關(guān)，當(dāng)加載速度越小、加載時間越長，彈性恢復(fù)量將愈小。對于彎管機(jī)來講，當(dāng)轉(zhuǎn)模轉(zhuǎn)速較低時，彎管的彈性恢復(fù)量越小。由以上分析可知，彎管最外側(cè)點與最內(nèi)側(cè)點的塑性應(yīng)變 ，同時， 。
彎管最外側(cè)點與最內(nèi)側(cè)點的正應(yīng)力 ，根據(jù)屈服條件，當(dāng) ，M= 時，這兩點進(jìn)入屈服狀態(tài)，開始發(fā)生塑性變形。因為， ，可以認(rèn)為在彎管工藝過程中F保持不變， 為某一橫截面上最外側(cè)點與最內(nèi)側(cè)點進(jìn)入屈服狀態(tài)開始發(fā)生塑性變形時，橫截面距靠模的最小距離。又因為橫截面上最外側(cè)點與最內(nèi)側(cè)點是該橫截面上最先進(jìn)入屈服狀態(tài)開始發(fā)生塑性變形的兩點，所以，當(dāng) 時，管子的橫截面處于彈性變形狀態(tài)；當(dāng) 時，管子的橫截面將發(fā)生塑性變形。管子橫截面發(fā)生塑性變形時，其應(yīng)力狀態(tài)將保持不變 。當(dāng)橫截面移動到管子與轉(zhuǎn)模相切處B點，塑性變形結(jié)束。因為，當(dāng)橫截面轉(zhuǎn)過B點時，作用在橫截面上的正應(yīng)力及剪應(yīng)力將大大減小，根據(jù)塑性力學(xué)理論，橫截面的應(yīng)力狀態(tài)不再滿足屈服條件，橫截面塑性變形隨之結(jié)束 。所以，彎管的塑性變形過程主要發(fā)生在 至B點之間， 至B點之間的距離應(yīng)與塑性變形最大應(yīng)變 相適應(yīng)。為了保證塑性變形充分進(jìn)行以及彎管質(zhì)量，必須控制彎管工藝的加載速度。根據(jù)塑性力學(xué)理論，當(dāng)加載速度較快時，材料的強(qiáng)化效應(yīng)將增加，屈服應(yīng)力將提高，塑性變形能力將降低。彎管工藝的加載速度是由轉(zhuǎn)模的轉(zhuǎn)速控制。
4．2管子橫截面與中性軸Z軸交點的應(yīng)力狀態(tài)分析
管子橫截面與中性軸Z軸的交點處于純剪切狀態(tài)。由以上分析可知，該處的剪應(yīng)力為橫截面上最大剪應(yīng)力， 。剪應(yīng)力是使彎管橫截面發(fā)生畸變的內(nèi)在因素，要使彎管橫截面不發(fā)生永久性變形即塑性變形，根據(jù)屈服條件， ，即 ， 。根據(jù)以上分析，橫截面上剪力Q=F，F(xiàn)為靠模作用在管子上的正壓力。當(dāng)轉(zhuǎn)模轉(zhuǎn)速一定，F(xiàn)的大小基本保持一定。F的大小隨著轉(zhuǎn)模轉(zhuǎn)動速度的增加而增大。所以，為了保證彎管橫截面不發(fā)生畸變，轉(zhuǎn)模轉(zhuǎn)速必須低于某一固定值。
4．3管子橫截面上其余各點的應(yīng)力狀態(tài)分析
管子橫截面上除對稱軸與中性軸上各點外的其余各點，既作用有剪應(yīng)力，又作用有正應(yīng)力。剪應(yīng)力 ，正應(yīng)力 （ 為該點徑向與Y軸正向的夾角）。要使橫截面上一點進(jìn)入屈服狀態(tài)，即該點發(fā)生塑性變形，那么，該點應(yīng)力必然滿足Mises屈服條件，即 。其中， —偏應(yīng)力張量不變量；C—常數(shù)，一般情況下， ，（ ）。 ， 平均應(yīng)力： ，
偏應(yīng)力：S ； ； ； ； ； ， 則 。
根據(jù)Mises屈服條件，當(dāng) 時，橫截面上對應(yīng)的點進(jìn)入屈服狀態(tài)，并發(fā)生塑性變形。在 計算中所引用的正應(yīng)力及剪應(yīng)力計算公式是根據(jù)彈性理論推導(dǎo)出來的，當(dāng)橫截面上有的點進(jìn)入屈服狀態(tài)，發(fā)生塑性變形，有的點尚處于彈性狀態(tài)時，對于進(jìn)入屈服狀態(tài)的點，根據(jù)塑性力學(xué)理論，其應(yīng)力狀態(tài)將保持不變，其發(fā)生的塑性變形是一種約束型的塑性變形，這時彎管的應(yīng)變完全由彈性部分控制，因此，彈性部分的實際應(yīng)力比應(yīng)用彈性理論計算出來的應(yīng)力要大。
令 ，則 ，
因為 ，sin2 >0。假設(shè)管子橫截面處于彈性變形階段，則M=FX、Q=F， 。若橫截面距靠模距離 后，橫截面各點方滿足屈服條件，則 ，那么， 隨著 的增加而減小，說明橫截面上靠近對稱軸上的點先進(jìn)入屈服狀態(tài)，靠近中性軸上的點最后進(jìn)入屈服狀態(tài)；若當(dāng) 時，橫截面上有點滿足屈服條件，則 ， 隨著 的增加而增大，說明橫截面上靠近對稱軸上的點后進(jìn)入屈服狀態(tài)，靠近中性軸上的點先進(jìn)入屈服狀態(tài)；若當(dāng) 時，橫截面上有點滿足屈服條件，則 ， 將不隨 而變化，保持不變，橫截面上各點同時進(jìn)入屈服狀態(tài)。所以，當(dāng) 時，橫截面上有點滿足屈服條件，進(jìn)入屈服狀態(tài)，對管子的彎曲變形極為不利，要避免這兩種情況的出現(xiàn)。即橫截面上的剪力不能太大。橫截面上剪力的大小與靠模作用在管子上的正壓力相等，靠模作用在管子上的正壓力大小與轉(zhuǎn)模轉(zhuǎn)速有關(guān)，由以上分析可知，轉(zhuǎn)模轉(zhuǎn)速愈高，靠模作用在管子上的正壓力愈大，管子橫截面上的剪力就愈大。根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，管子彎曲的塑性變形過程只能在 后進(jìn)行。
5 彎管工藝過程的分析
通過對彎管橫截面上各點應(yīng)力狀態(tài)的分析，可知彎管的變形過程既塑性變形過程，管子橫截面上對稱軸上首先進(jìn)入屈服狀態(tài)，然后，屈服點隨著橫截面上彎矩的增加逐步向中性軸擴(kuò)展。當(dāng)橫截面移動到轉(zhuǎn)模與管子接觸點B之前，橫截面上各點均應(yīng)滿足屈服條件，進(jìn)入屈服狀態(tài)，即管子的塑性變形主要發(fā)生在B點之前。當(dāng)橫截面轉(zhuǎn)過B點之后，作用在橫截面上的彎矩與剪力大大減小，各點的應(yīng)力狀態(tài)不再滿足Mises屈服條件，根據(jù)塑性力學(xué)理論，塑性變形隨之停止 。
因為彎管材料大多可近似認(rèn)為是理想的塑性材料，采用塑性變形全量理論中的亨蓋(Hencky)理論研究彎管塑性變形應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系較為恰當(dāng)。根據(jù)亨蓋理論， ， 。其中， —比例常數(shù)， ； —應(yīng)力偏量。對塑性變形即將結(jié)束的彎管橫截面， ， 平均應(yīng)力 ， 。 則 。 相應(yīng)點的角應(yīng)變 。所以，對于彎管來講，其橫截面不可避免地存在角應(yīng)變，從而導(dǎo)致橫截面畸變。同時，橫截面角應(yīng)變也存在積極一面，彎管塑性變形導(dǎo)致彎管內(nèi)側(cè)壓縮變形，壁厚變厚；彎管外側(cè)拉伸變形，壁厚變薄。而角變形有助于材料由壁厚變厚一側(cè)向壁厚變薄一側(cè)流動。
彎管工藝過程常出現(xiàn)兩種加工缺陷，一種是拉伸一側(cè)壁厚變薄、拉斷出現(xiàn)裂紋；另一種是壓縮一側(cè)壁厚增厚、起皺。塑性材料可通過單向拉伸實驗測得材料的最大延伸率 ，也即材料的最大塑性線變形率。為了保證彎管質(zhì)量，要求彎管拉伸一側(cè)的最大應(yīng)變 。所以，在管子橫截面直徑一定的情況下，彎管的曲率半徑 不能太小；在彎管曲率半徑 一定時，管子橫截面直徑不能太大。對于塑性材料，壓縮變形量是沒有限制的。但對于彎管塑性變形，內(nèi)側(cè)壓縮量過大，易導(dǎo)致管壁起皺，這時可適當(dāng)增加橫截面上的剪力，以增大橫截面上的角變形量，使材料由壁厚增厚區(qū)域向壁厚減薄區(qū)域流動，從而達(dá)到減少起皺的現(xiàn)象。通過前面的分析可知，要適當(dāng)增大橫截面上剪力，必須適當(dāng)增加彎管機(jī)轉(zhuǎn)模的轉(zhuǎn)速。
結(jié)論：運用彈性及塑性力學(xué)理論，對彎管工藝過程進(jìn)行定量與定性分析，得出彎管過程中橫截面上各點應(yīng)力與應(yīng)變的計算公式，并分析了各點彈性、塑性變形過程。以上分析對設(shè)計與改進(jìn)彎管設(shè)備、改善彎管工藝措施、提高彎管質(zhì)量有一定的幫助作用。
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發(fā)表于 2011-4-8 13:35:10
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發(fā)表于 2011-4-8 13:39:23
