1、分類號：密級：天津理工大學研究生學位論文冷拔鋼管與焊管成型過程的非線性有限元分析（申請碩士學位）學科專業：機械設計及理論研究方向：機械強度分析及現代設計理論作者姓名：胡建英指導教師：葉金鐸年月摘要摘要為了獲得不同模具，不同材料模型，不同強化規律下冷拔鋼管成型過程中的應力應變分布規律和對成型精度的影響規律，以及單半徑和雙半徑焊管成型過程的應力應變分布規律，本文利用彈塑性大變形和接觸非線性有限元法，應用大型多物理場有限元分析軟件對空拔管、芯拔管以及單半徑和雙半徑焊管的第一架成型的成型過程進行了有限元仿真，其中考慮了模具的變形。得到的主要結論如下：（）通過對錐模與弧形模下空拔管成型過程的數值模擬，發

2、現在成型直徑上弧通過研究不同材料模型和強化規律對空拔管拔制力和尺寸精度的影響，發現通過對錐模與弧形模下芯拔管成型過程的數值模擬，發現弧形模成型比錐模提出了一種數值模擬和實驗雜交的實驗方法，測量了鋼管內表面的殘余應形模比錐模成型精度高，在成型壁厚上錐模比弧形模成型精度高；（）真實材料模型下利用隨動強化理論進行的仿真總體效果要好一些；（）成型的拔制力與芯棒后拉力大，錐形模成型脫模后鋼管的直徑與壁厚更接近設計值。（）力。得到了殘余應力對液壓油缸缸筒承載能力的影響規律。（）通過對單半徑和雙半徑焊管第一架成型過程的數值模擬，發現二者成型過程中的應力應變分布很不均勻，可以考慮多半徑成型方式，最后對多輥下的

3、焊管成型過程的仿真提出了研究方向。關鍵詞：非線性有限元法冷拔鋼管高精度模具殘余應力焊管成型輥雜交實驗方法，鸛啦蛐畦啦斌妣吣姚筒呶讞僦啦：，（）（），（），仃（），：獨創性聲明本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經發表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得墨洼堡墨盤至或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學位論文作者簽名：鋼遣寢簽字日期：如年月日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解墨盜墨蘭盤至有關保留、使用學位論文可以

4、將學位論文的全部或部分內容編入的規定。特授權墨盜墨墨盤鱟有關數據庫進行檢索，并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編，以供查閱和借閱。同意學校向國家有關部門或機構送交論文的復本和電子文件。學位論文作者簽名：撼簽字日期：如年月戶日（保密的學位論文在解密后適用本授權說明）導師基名：葉令礙簽字日期：一占年月廠日第一章緒論第一章緒論課題的提出鋼管是經濟建設中重要的原材料之一，素有工業“血管”之稱。精密鋼管廣泛地被用作機械工業用管（主要是液壓與氣動缸體管、液壓輸油管、汽車傳動軸管和半軸套管、軸承鋼管、皮帶傳送托輥管、印染輥管等）、石油地質工業用管（油泵管、鉆探管、油管、套管、鉆桿等）、化工用管（石油裂

5、化管、化肥用高壓管、化工設備及管道用管）、電站鍋爐和熱交換器管等。隨著我國經濟建設的不斷發展和技術的不斷進步、精密鋼管的應用范圍會不斷擴大、需求量也會越來越大。高精度精密冷拔鋼管廣泛地應用于國內液壓、氣動缸，煤炭井下支架（支柱），石油泵管，千斤頂等制造領域。高精度精密冷拔鋼管的推廣應用對節約鋼材，提高加工工效，節約能源，減少液壓缸、氣缸加工設備投資有重要意義。焊管的使用領域涉及到石油鉆采中所用的套管，海洋石油工業中用于石油、天然氣輸送的海底油氣輸送管干線用油氣輸送管，配氣管等。日本、美國、德國在石油焊管技術的應用方面處于領先地位，已有十幾年的應用經驗，年代首鋼等單位雖然開展了焊管應用于油套管的

6、研究，但由于工藝水平差和設備落后，一直未能形成大批量生產能力，目前，我國仍在大量進口油套管。因此建立我國自有的油井焊管生產線，不僅能解決油套管鋼管的國產化問題，同時可降低油套管的成本。根據國外資料，焊管比無縫管銷售價格低。冷拔鋼管的生產與研究現狀冷拔是繼熱軋、擠壓或焊接之后對管材進行二次加工以生產精密、薄壁和高機械性能產品的主要方法。冷拔包括空拔和芯拔，這種成型方式具有工藝設備簡單，成型效果好的優點，在軍工、機械和石油等領域都得到了廣泛的應用。用冷拔的方法可以生產外徑為毫米、壁厚毫米的鋼管和外徑毫米的有色金屬管。冷加工和相應的熱處理相結合可使管材獲得高的綜合機械性能，除了一般圓管以外還可以生產

7、多種異形管和變斷面管。冷拔鋼管的生產現狀冷拔是在外加拉力作用下，迫使金屬坯料通過模孔，以獲得相應形狀與尺寸制品的塑性加工方法。鋼管冷拔的基本方式有：（）空拔。拉拔時管坯內部不放芯頭，通過模孔后外徑減小，壁厚一般會略有變化。）長芯棒拉拔。將管坯自由地套在表面拋光的芯桿上，使芯桿與管坯一起拉過模孔，以實現減徑和減壁，芯桿的長度應略大于管坯的長度，在拉拔一道次之后，需要用脫管法或滾軋使之擴徑的方法取出芯桿。（固定短芯頭拉拔。拉拔時將帶有芯頭的芯杼固定，管坯通過模孔實現減徑和減第一章緒論壁。（）游動芯頭拉拔。在拉拔過程中，芯頭靠本身所特有的外形建立起來的力平衡被穩定在模孔中。與固定短芯頭拉拔相比，游動

8、芯頭拉拔難度大，工藝條件和技術要求較高，配模有一定限制，故不可能完全取代固定短芯頭拉拔。（）擴徑拉拔。管坯通過擴徑后，直徑增大，壁厚和長度減小。這種方法主要是在設備能力受到限制而不能生產大直徑的管材時采用。近十年來，在研究許多新的拉拔方法的同時，展開了高速拉拔的研究，成功的制造了許多高速連續拉拔機、多線鏈式拉拔機和圓盤拉拔機。高速拉線機的拉拔速度達到；圓盤拉拔機可生產毋以下的管材，最大圓盤直徑為，拉拔速度可達，最大管長為以上；多線鏈式拉拔機一般可以自動供料、自動穿模、自動套芯桿、自動咬料和掛鉤、管材自動下落以及自動調整中心。另外還有管棒材成品連續拉拔矯直機列，在該機列上實現了拉拔、矯直、拋光、

9、切斷、退火以及探傷等。冷拔鋼管的國內外研究現狀冷拔鋼管成型過程十分復雜，屬于彈塑性大變形和接觸非線性相互耦合的多重非線性問題，長期以來對冷拔鋼管成型過程的研究還落后與生產實際，模具工藝參數的設計和冷拔工藝的設計主要采用經驗設計方法，設計周期長，費用高，產品尺寸精度低，不能滿足對精密冷拔鋼管需要。國內外已有的研究成果多數是在各種假設的基礎上設計模具和工藝，研究工作多數針對單一因素，如拔制力、鋼管成型直徑或壁厚等，對冷拔成型過程的研究工作相對較少。在冷拔鋼管成型過程的數值模擬方面，考慮彈塑性大變形的工作較多，考慮接觸非線性的工作較少，考慮模具變形及獲取管坯在成型過程的應變及應力分布及脫模后管材殘余

10、應力的工作更少。年，用彈塑性有限元分析固定楔型芯棒冷拔鋼管的拔制過程，建立了應力分布和殘余應力模型；年，使用剛塑性有限元模型分析了空拔管生產過程中管壁的變化與應變分布；年，采用剛塑性有限元模型和實驗數據對空拔管過程的應變狀態、應變分布與應力分析進行評價；年，顏鵬等人使用二維彈塑性有限元法，分析了空拔管縱裂與殘余應力的關系，并且指出機械加工是一種消除殘余應力的有效方法；年，杜風山等人使用三維彈塑性有限元法模擬了鋼管空拔，研究了管材穩態與非穩態變形；年，黃成江等人使用二維彈塑性有限元法分析了無芯棒拉拔的均壁作用；年，黃成江等人使用三維彈塑性有限元法比較了空拔時，單道次拉拔和多道次拉拔的拔制力、殘余

11、應力，并且分析了拉拔過程的熱影響：年，葉金鐸等人使用二維彈塑性有限元法模擬了空拔管成型，分析了鋼管的變形過程、殘余應力。已有的研究工作主要分為兩類：一是采用各種假設導出拔制力和拔制后鋼管直徑的公式，也采用數表的方法確定鋼管的直徑；二是采用有限元的方法通過研究鋼管的成型過程，獲取拔制力和鋼管的直徑。在數值模擬方面已有的研究工作，主要集中在對錐模半錐角、摩擦系數等參數的研究。在非線性因素的考慮方面，多數的研究工作沒有考慮接觸非線性和模具的變形。所用模具的孔型只有蘇式模和中式模。第一章緒論焊管的生產與研究現狀年代以來焊管機組的建設一直很活躍，由于不斷地采用新技術，焊管的焊縫質量大大提高，焊接區的強度

12、、韌性等指標甚至可以達到或超過母材。正因為如此，焊管在繼續占據著水、煤氣輸送、建筑結構、電線套管等較低強度的鋼管市場外，在鍋爐、石油油井、化工設備、機械構件、汽車工業以及高壓流體輸送等領域廣泛地與無縫鋼管進行市場競爭，其市場份額越來越大。焊管用鋼也不只是原來的碳素鋼，而向合金鋼和不銹鋼等高質鋼發展焊管的生產現狀（）小口徑焊管生產機組小口徑焊管機組（咖以下機組）的成型方法眾多，最早是導板成型法和對輥成型法（含邊緣彎曲法、中心彎蛆法和圓周彎曲法），年代末引入了排輥成型法。進入年代，為了提高產品質量、擴大產品規格范圍，先后開發出眾多新的成型法，主要有：可生產薄壁管的立輥成型法（法）和直緣式排輥成型法

13、；生產厚壁管的帶有邊部成型機架的組裝式成型法；生產極厚壁管的復合成型法；既可生產薄壁管又可生產厚壁管的彎曲輥成型法和柔性成型法但法）；生產極薄壁管的無輥自然成型法以及無鼓肚變形輥成型法（法）等。近年來除導板成型法外，所有的成型法都在采用，生產的最薄焊管為，最厚焊管為，生產鋼種為普碳鋼、合金鋼及不銹鋼。另外，為提高焊管機組的軋輥共用性、提高帶鋼邊部成型性能及質量穩定性，新日鐵公司設計和開發出把上下軋輥以垂直軸為中心進行旋轉和交叉，以適應各種不同彎曲率和壁厚間隙形狀的軋輥交叉邊部成型法（法。新成型法開發的主要目的就是使成型過程中的帶鋼變形自然流暢、合理均勻，邊緣受力條件良好。薄壁管成型主要解決邊緣

14、延伸問題，厚壁管成型則主要要求帶鋼邊緣達到平齊，并充滿孔型。（）中徑焊管生產機組中徑焊管機±（最早也是采用對輥成型法，但自年代出現了排輥成型法后，排輥成型法己成為中徑焊管機組的主流。年代后除臺灣耕安公司在中國新建的套機組采用對輥成型法和日本為美園和歐洲提供的套機組采用成型法外，幾乎無例外地采用排輥成型法。中徑焊管機組的排輥成型法主要有三種工藝：全排輥成型法、半排輥成型法和直緣式排輥成型法。其制造廠家主要有法國、奧地利、德虱公司，最近年內世界新建了套機組即分別由這三家公司制造。這些機組生產的主要品種為管線管、結構管及套管等。（大口徑焊管生產機組生產油氣輸送管道用大口徑直縫埋弧焊管（）生

15、產機組的生產方式主要有法、法、成型法、法、瑚法以及全排輥成型法等。各種成型法中以法生產的鋼管質量最好、可靠性最高，但由于機組建設投資巨大，進人年代以后已不再新建。而原來主要用于生產大口徑結構管（外徑最大！）的輥彎成型工藝，經過一系列改造，生產的直縫埋弧焊管在使用性能和可靠性方面有較大的提高，因而被用來生產油氣輸送用管。由于其生產靈活性大，設備投資？，第一章緒論機組低許多倍，在一些發展中國家得到推廣應用，這就是目前已被廣泛認可的法。據統計，年代以來國外建設的大口徑直縫埋弧焊管生產機組的套，其中有套為機組。另外，近年來德國公司開發了即成型法用于生產大口徑直縫埋弧焊管，并成功地應用于家工廠之中（其中

16、之一可以生產大口徑厚壁不銹鋼管）。大口徑螺旋埋弧焊管生產機組近年來仍在一些國家建設，不但用于生產結構用管，而且也用于生產油氣輸送用管線管。生產的油氣輸送管最大鋼級已達到。焊管的國內外研究現狀焊管屬于輥式冷彎成型，與無縫鋼管相比，具有設備投入小，鋼管尺寸精度高的優點，是一種用途廣泛的高效型材。在輥式成型過程中，帶鋼經一系列軋輥（平輥、立輥）連續彎曲經焊接成為鋼管。在成型過程中，帶鋼要經過非常復雜的彈塑性大撓度彎曲變形，同時伴有中性面的擠壓，是橫向變形和縱向變形綜合的物理、幾何非線性問題，因此其理論解析比較困難目前還沒有統一的數學模型，也沒有完整的數值模擬研究工作。目前，成型過程的分析方法主要分為

17、五類，即整體幾何分析法，實驗法，能量法”，有限元法和法。整體分析法。整體分析法是不考慮成型輥對帶鋼成型的局部影響，以成型區中的管坯整體為研究對象。它通過比較各種成型方法中管坯邊緣的總體延伸來鑒別這些方法的優劣。實驗研究法。實驗研究法就是對于所要求解的問題不同設置不同的實驗裝置。日本有九個工廠用厚度為，毫米的帶鋼焊接直徑毫米的鋼管，下輥的調整分下山、上山和水平三種，并采用不同的孔型系統，不同的成型輥布景形式和不同的機架間距，由各廠分別進行試驗。通過測量和計算，求出了鋼管外表面的帶鋼變形量【。電阻應變片法在實驗法測定中起到了很重要的作用。西德狄蓋斯用電測法研究了焊管成型過程中的帶鋼變形，原蘇聯以及

18、其他國家，普遍采用電阻應變片來測量成型過程中的縱向變形。電阻應變片法能精確地測量成型過程中的變形，具有靈敏度高、慣性小的優點，尤其是，這種方法能遠距離測量多個點的變形。天津理工大學的溫殿英等用應變片的方法在液壓萬能試驗機上研究了成型區內金屬的應變。但是電測法不能測量管坯與軋輥接觸以后鋼管的變形。此外，加拿大等人還特意設計了模擬實驗裝置來研究電焊管成型的軸向應變分布。能量法。能量法是指通過建立含有若干待定系數的全能或全功率范函，然后對該能量或范函取極小化來確定這些參數，進而確定物體變形的分析方法。能量法最早是在年由伽古恩應用到物體變形分析中去的，他用能量方法分析了角材的連續彎曲。在確定板材成型變

19、形狀態方面，最初由斯米爾諾夫弗可拉耶夫和古恩提出來的【”。古恩在分析中作了一些簡化假定：（）管坯的橫截面始終為平面并垂直于軋制軸線；（）垂直于軋制軸線的每個斷面上的中性面寬度不變并等于帶鋼的初始寬度。通過聯立拉格朗日坐標和歐拉坐標方程來確定主變形及變形強度、應力強度，進而計算內力的全部功，利用拉格朗日中值定理，并設外力功恒定，確定未知函數，最后求出內力功的極小值。文獻的管坯變形分析工作是：（）假設管坯在變形區中的構形是己知的，它由成型工具的孔型所第一章緒論決定的橫斷面形狀按設計規律均勻變化。（）建立拉格朗日坐標系和歐拉坐標系，用拉格朗日坐標系與帶鋼中性面聯系起來，中性面上的每個點便與成型過程中

20、不變的兩個數（，）相對應。將變形區的中性面計入歐拉坐標系（，）。引入兩個第一類二次型曲面之差，即與成形區中性面相應的和與帶鋼中性面相應的之差可求出應變張量分量，叫，。這種分析方法屬于全量型能量法，不能考慮變形歷史的影響。目前日本學者木內學等人建立的數學模型應用比較廣泛【】。現將其思想介紹如下：（）采用平斷面假設并假設相鄰兩個平斷面可以熬體的沿縱向伸縮，以使斷面上縱向力的合力為零。相鄰兩機架間管坯的構形借助于形狀函數（）（）描述：（）（）一（）“式中，一相鄰機架間距；待定冪指數；（）描述了帶材上一點由號軋輥軋槽上的點（，）向號軋輥軋槽上的點（：，：）流動時的空間軌跡。（一）（）。（一。）（）式中

21、（）是依賴于形狀函數（）的非獨立形狀函數。（）（）將成型前的帶材沿長度方向分割成具有初始長度的寬度帶狀單元，沿帶狀要素的寬度方向再分成若干等份。假設中性層與中央層一致，沿厚度方向均布且。：，。使用增量法可得到每個要素的應力和變形功表達式，從而得到整段坯料的總變形功的數學表達式，即：一擊摹，【（、（。）“，。¨厚度方向的分層（），。塑性變形功增量（。）“，。彈性變形功增量通過對求極小化確定，這時的應力應變就是所求的解，由這時的節點坐標給出的變形曲面即為最佳變形曲面，認為該曲面是真實變形曲面。木內學等人開發的數學模型提供了直觀、簡明、實用的分析方法，該理論屬于增量型能量法，能反映變形的歷

22、史，更能反映塑性變形的本質，適合于計算機輔助設計。法。隨著科學技術的不斷進步，計算機輔助設計也得到了廣泛的應用，同樣計算機輔助設計也給我們對焊管的研究提供了一種有效的方法，這就是焊管成型法。在這方面，各國學者也做了很多嘗試并取得了可喜的成果。奧納艾特沃提出了用三次多項式表示的邊緣變形高度口”。日本的通過收集幾個公司的軋輥圖和數據，并研究了管截面形狀因子和軋輥孔型之間的關系，開發第一章緒論可用三次曲線示出：，（），（）任意階段車輥的彎曲角；由下面方程給出：（一）【（）一（）】（）引入浮動因子后。使軋輥設計者進行人機對話：一（一）【（）一（）】（）通過這一方程形成一個簡單通道截面，將其用于管截面，

23、這種方法屬于數據庫方法。德國的慕尼黑大學開發了軟件系統【】，該系統提供有友好界面，可用模擬技術分析和優化輥彎成形工藝。他們采用一個與實際變形非常相近的幾何形狀作為模擬的模型，為優化不同成型區域孔型的數學近似幾何模型，采用了有限元的分析計算，但該文并未涉及數學模型。美國的采用日本學者木內學的形狀函數方法并加以完善，開發了限）軟件。該軟件在木內學理論膜應變的基礎上加入了彎曲校正”】。有限元法。關于方法，目前很多國家的學者們正在作這方面的工作，并取得了一定的進展。蔡松慶等人首次嘗試用板殼彈塑性有限元法分析直縫焊管成型過程，他們將成型區中的管坯看作是由一塊平板在橫向同時逐漸彎曲的結果。劉才、周瑛、韓志

24、武等用有限條法研究了冷彎型鋼的成型過程”。徐樹成通過對冷彎成型進行分析，用彈塑性大變形有限元理論進行了模擬，通過改寫有限元程序，并對現場進行連續輥彎的一、二次成型實驗。葉金鐸等人將軋輥簡化為平面曲線，采用樣條有限條法研究了雙半徑焊管第一架的成型過程，與實驗結果進行了比較，研究中假設鋼管的材料為理想塑性。日本的小野田等人長期研究焊管成型的有限元模擬問題。他們使用剛塑性有限元分別對焊管管坯在開口孔型和閉口孔型中的變形進行研究，分別得到了管坯處于開口孔型和閉口孔型時的網格劃分及邊界條件。美國公司的，英國大學的以及加拿大大學的等人，他們使用商用大變形有限元軟件包對冷彎成型進行分析，并將其應用于冷彎工具

25、的設計。等人使用非線性有限元軟件對直縫焊管的成型應力，應變進行了分析，通過計算建立了預報焊管成型過程的邊緣失穩模型，并得到調整軋機參數的依據。目前的對焊管成型過程的分析方法存在的問題有：整體分析法由于它沒有考慮局部影響，因此不能提供各個點的應變、應力等全方位的信息。實驗研究法只能建立成型過程不完整的近似物理模型。古恩將平斷面假說應用于連續彎曲的成型情況是不恰當的，按圣維南原理，平斷面假設僅適用于遠離外力作用、接觸變形區內的應力波及不到的地方，其次，平斷面導致了成型區不準確的縱向變形圖，這種第一章緒論圖是單值的，除帶鋼中央纖維外，全部纖維處于拉緊狀態，拉伸變形從中央向邊緣增加。木內學等人開發的數

26、學模型采用一個參數來定變形曲面，誤差會加大。蔡松慶等人采用的有限元分析方法從實際結果看，管坯中的應變和管坯的構形比較接近實際情況，但應力及外載與實際情況相差甚遠【。劉才、周瑛、韓志武等用的有限條法仍屬于有限元的范疇，是為了降低計算量而開發的，計算量降低了，其精度就會受到影響，他們在整個過程中采用了一些假設：單元的板殼劃分；忽略了坯料沿軋制方向的運動，使整個過程改變成成型輥將坯料一步一步壓下，直到成型為止；忽略了坯料內的剪應變；將坯料作為線性強化的彈塑性體；忽略了中性面的移動：忽略了接觸區以外的變形；這樣不能真實反映物體的成型過程，僅能夠近似模擬整個變形過程。由于直縫焊管成型過程理論上屬于彈塑性

27、大變形和接觸非線性多重非線性耦合問題，雖然彈塑性大變形和接觸非線性有限元算法和軟件已經基本完善，但如果精確地刻畫軋輥和帶鋼，模擬整個軋制過程會使單元數量和計算量急劇增加。焊管成型屬于多道軋制，如果分道模擬軋制過程，雖然可以降低計算規模，但是因為前道和后道的變形不僅相互依賴相互影響，還伴隨彈性釋放，因此分道模擬和連續模擬結果還有區別。總之，在現有的計算機軟硬件條件下，對焊管成型過程的模擬不僅計算量大，計算難度也很大，還需要進行深入的研究。有限元法的發展許多工程分析問題，如固體力學中的位移場和應力場分析、電磁學中的電磁場分析、振動特性分析、傳熱學中的溫度場分析、流體力學中的流場分析等，都可以歸結為

28、在給定邊界條件下求解其控制方程（常微分方程或者偏微分方程）的問題。但是，能夠用解析方法求出精確解的只是方程性質比較簡單，且幾何邊界相當規則的少數問題。對于大多數的工程技術問題，由于研究對象的幾何形狀復雜或者它的某些特性是非線性的，則很少有精確解。這類問題的解決通常有兩種途徑：其一，引入簡化假設，將方程和邊界簡化為能夠處理的問題，從而得到它在簡化狀態下的解。這種方法只是在非常有限的情況下可行，因為過多的簡化將可能導致不正確的甚至錯誤的解。其二，數值模擬。目前，在工程技術領域內常用的數值模擬方法有：有限單元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法。但就其實用性和應用的廣泛性而言，主要還是有限單元法。有

29、限元方法是用于求解工程中各類問題的數值方法。應力分析中穩態的、瞬態的、線性或非線性的問題以及熱傳導、流體流動和電磁學中的問題都可以用有限元方法進行分析解決。有限單元法的基本思想是：將問題的求解域劃分為一系列單元，單元之間僅靠節點聯結。單元內部點的待求量可由單元節點量通過選定的函數關系插值得到。由于單元形狀簡單，易于由平衡關系或者能量關系建立節點之間的方程式，然后將各個單元方程“組集”在一起形成總體代數方程組，加入邊界條件后即可對方程求解。單元劃分越細，計算結果就越精確。現代有限元方法的起源可以追溯世紀的早期，當時一些研究者應用離散的等價第一章緒論桿擬合模態的彈性體。然而，人們公認（）是應用有限

30、元方法的第一人。使用分段多邊形插值法而不是三角剖分法來研究扭轉問題。世紀年代，公司采用三角元對機翼進行建模，大大推動了有限元方法的應用。其他不少人接著采用了這一方法。然而，直到世紀年代，人們才廣為接受“有限元”這一術語，【在這方面做了不少工作。在世紀年代，研究者開始將有限元方法應用到解決工程中的其他領域，例如熱傳導和地下滲流中的問題。和（）在年撰寫了第一本有限元的專著。年來，有限單元法的應用已經由彈性力學平面問題擴展到空間問題、板殼問題，由靜力平衡問題擴展到穩態問題、動力問題和波動問題。分析的對象從彈性材料擴展到塑性、粘彈性、粘塑性和復合材料等，從固體力學擴展到流體力學、傳熱學等連續介質力學領

31、域。在工程分析中的作用已經從分析和校核擴展到優化設計并和計算機輔助設計技術相結合。可以預計，隨著現代力學、計算數學和計算機技術等學科的發展，有限單元法作為一個具有鞏固理論基礎和廣泛應用效力的數值分析工具，必將在國民經濟建設和科學技術發展中發揮更大作用。仿真工具介紹大型工程結構龐大，計算模型復雜，因而，它的分析軟件一般均由前后處理器和分析求解器兩個軟件集成，并在兩者之間常設有功能強大的軟件接口，目的是保持這兩部分的相互獨立性并方便于與其它軟件的連接。圖中給出了大型有限元分析軟件的整體結構圖，同時也反映了大型有限元分析軟件的操作過程和主要功能構成。其中：前處理器的主要功能是：形成并提交求解器能識別

32、的有限元模型數據文件，包括數據文件的輸入輸出功能、自動網格劃分功能、生成幾何圖形功能和圖形顯示及輸出功能。因此，前處理器要處理如下數據文件：讀寫描述有限元模型的數據庫文件；生成求解器可識別的輸入數據文件；讀寫并記錄各種操作的命令；編輯過程文件等。求解器的主要功能是：對有限元模型形成的整體方程組進行計算和分析，包括帶寬優化、方程組求解方法的選取、確定收斂判據等等。因此，它是有限元的理論方法、計算方法和軟件分析方法的結晶。后處理的主要功能是：處理求解器分析后的結果，包括識別求解器生成的格式化及非格式化結果文件；將結果寫成各種常用的圖形文件；還要以圖形、動畫、曲線、表格和文件形式分別顯示求解器分析后

33、的結果等。軟件接口的主要功能是：讀寫可被其它的軟件識別的各種文件，實現與其它軟件間的數據轉換功能，使得幾何建模可以由第三方軟件來提供，如此增強了軟件本身的健壯性。目前我國已引進的主要有限元分析軟件有：、以及等等。本文主要使用軟件進行仿真分析，下面將加以介紹說明。第一章緒論前處理器求解器后處理幾何建模自動劃分網形成有限格兀模型一添加載荷和約束設置邕兀特性確定材料特性形成數據文件遞交數據文件分析與求解形成結果文件讀取結果文件結果后處理軟件接口軟件接口軟件接口圖軟件整體結構框圖軟件簡介公司由博士創立于年，有限元程序是該公司主要產品，它是第一個通過質量認證的分析設計類軟件。由于軟件具有建模簡單、快速、

34、方便的特點，因而成為大型通用有限元程序的代表。軟件是集結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛地應用于核工業、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫學、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業及科學研究。軟件的主要功能包括建立模型、結構分析、非線性分析、電磁分析、計算流體力學分析、接觸分析、壓電分析、結構優化等。的建模功能有限元分析軟件的前處理器功能很強大，具有強大的建模功能。建模時，需要先建立結構的幾何模型，給出材料參數和單元類型，最后劃分網格，形成結構的有限元模型。提供了三種創建模型的方法：實體建模方法、直接建模方法和

35、輸入在其它計算機輔助設計系統中創建的模型。直接建模的方法就是在的前處理程序中直接定義每個節點的位置以及單元的大小、形狀和連通性來創建有限元模型。節點用來定義單元在空間的位置，單元定義了模型的連接性。直接建模的方法適用于線模型和較簡單的有規則幾何結構。可以自己控制每個單元和節點的編號。但是直接建模的方法往往需要處理大量的數據，也不能進行自適應網格劃分，改進網格劃分十分困難。對大而復雜的結構，應采用實體建模的方法。第一章緒論提供了兩種方法進行實體建模，即自底向上的建模方法和自上向下的建模方法。自底向上的建模方法是先創建關鍵點，然后依次創建相關的線、面和體等圖元。自上而下的建模方法是可以直接創建最高

36、級的圖元，如球、棱柱等三維實體，通常稱之為幾何體素。當定義了一個體素時，程序會自動定義相關的面、線和關鍵點。可以利用這些高級圖元直接構造幾何造型。在建模過程中，自上而下的建模方式和自底向上的建模方式可以自由組合使用，使模型的創建更加方便。實體建模的優點是：對于龐大或復雜的模型，特別是對三維實體模型更合適；相對而言需處理的數據少一些；容許對節點和單元不能進行的幾何操作（如拖拉和旋轉）；支持使用面和體的體素及布爾運算以順利建立模型；便于施加載荷之后能進行所要求的局部網格細化；便于幾何上的改進；便于改變單元類型，不受分析模型的限制。無論是使用自底向上還是自上而下的方法構造實體模型，均由關鍵點、線、面

37、和體組成。這些圖元的層次關系是：體以面為邊界，面以線為邊界，線以關鍵點為端點。無論是使用自上而下還是自底向上方法建模，均能使用布爾運算來組合數據集，形成一個實體模型。程序提供了完整的布爾運算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結和重疊。在創建復雜實體模型時，對線、面、體的布爾運算操作能減少相當可觀的建模工作量。程序還提供了拖拉、延伸、旋轉、移動、拷貝、蒙皮等的功能，可以大大減少建模時間。輔助工具如選擇和組元、拾取與利用工作平面，為建模提供了極大的方便。可以在其它系統中建立模型并把它輸入到中進行分析。它有如下優點：一是可利用已有模型，避免重復工作；二是可利用熟悉的工具去建模。但是，從系統中輸入的模型

38、，如果不適于網格劃分則需要大量的修補工作。的分析功能軟件的分析功能包括結構分析、非線性分析、熱分析、電磁場分析、電場分析、流體流動分析、耦合場分析。結構分析包括靜力學分析、模態分析、諧波分析、瞬態分析、響應譜分析、隨機振動分析和屈曲分析。非線性分析包括結構非線性、材料非線性、幾何非線性分析和單元非線性分析。熱分析包括穩態熱分析、瞬態熱分析、相變分析和熱結構耦合分析。電磁場分析包括靜態電磁場、低頻時變電磁場和高頻時變電磁場。電場分析包括電流傳導、靜電分析和電路分析。流體流動分析包括計算流體力學分析層流、湍流和熱流體）和聲學分析。耦合場分析適合于熱應力、磁熱、磁結構、流體流動熱、流體流動結構、熱電

39、、電路耦合電磁場、電磁及壓電耦合分析。軟件還具有將部分單元等效為一個獨立單元的子結構功能、將模型中的某一部分與其余部分分開重新細劃網格的子模型功能和參數設計語言（）可以進行結構的優化。的接觸分析功能是優于其它有限元軟件的，近年來，開發了一系列的接觸單元，接觸單元通常用來描述兩物體相互接觸或滑動的界面。剛開始中有節點對節點單元和，接著有節點對地單元，然后有節點對面單元年。雖然能求解一些接觸問題，但有相當的局限性。最近幾年，中引入一類面對面接觸單元：目標單元、和接觸單元、，達到真正的面面接觸，才具有真正意義上的接觸分析功第一章緒論能。接觸問題是一種高度非線性行為，需要較大的計算資源，為了進行有效的

40、計算，理解問題的特性和建立合理的模型是很重要的。接觸問題存在兩個較大的難點：其一，在求解問題之前，不知道接觸區域，表面之間是接觸或分開是未知的，突然變化的，這隨載荷、材料、邊界條件和其它因素而定：其二，大多的接觸問題需要計算摩擦，有幾種摩擦和模型供挑選，它們都是非線性的，摩擦使問題的收斂性變得更困難。接觸問題分為兩種基本類型：剛體柔體的接觸，柔體柔體的接觸，在剛體柔體的接觸問題中，接觸面的一個或多個被當作剛體，（與它接觸的變形體相比，有大得多的剛度，一般情況下，一種軟材料和一種硬材料接觸時，問題可以被假定為剛體柔體的接觸，許多金屬成形問題歸為此類接觸。另一類，柔體柔體的接觸，是一種更普遍的類型

41、，在這種情況下，兩個接觸體都是變形體（有近似的剛度）。支持三種接觸方式：點點、點面、面面，每種接觸方式使用的接觸單元適用于不同的問題。為了給接觸問題建模，首先必須認識到模型中的哪些部分可能會相互接觸，如果相互作用的其中之一是一點，模型的對應組元是一個節點。如果相互作用的其中之一是一個面，模型的對應組元是單元，例如梁單元，殼單元或實體單元，有限元模型通過指定的接觸單元來識別可能的接觸對，接觸單元是覆蓋在分析模型接觸面之上的一層單元。點點接觸單元主要是用于模擬點點的接觸行為，為了使用點點的接觸單元，需要預先知道接觸位置，這類接觸問題只能適用于接觸面之間有較小相對滑動的情況（即使在幾何非線性情況下）

42、。點面接觸單元主要用于給點面的接觸行為建模，例如兩根梁的相互接觸。如果通過一組節點來定義接觸面，生成多個單元，那么可以通過點面的接觸單元來模擬面面的接觸問題，面既可以是剛性體也可以是柔性體，這類接觸問題的一個典型例子是插頭插到插座里。使用這類接觸單元，不需要預先知道確切的接觸位置，接觸面之間也不需要保持一致的網格，并且允許有大的變形和大的相對滑動。支持剛體柔體的面面的接觸單元，剛性面被當作“目標面”，分別用和來模擬和的“目標面”，柔性體的表面被當作“接觸面”，用，來模擬。一個目標單元和一個接觸單元叫做一個“接觸對”。與點面接觸單元相比，面面接觸單元有以下幾項優點：支持低階和高階單元；支持有大滑

43、動和摩擦的大變形，協調剛度陣計算，單元不對稱剛度陣的選項：提供工程中采用的更好的接觸結果；沒有剛體表面形狀的限制，剛體表面的光滑性不是必須的，允許有自然的或網格離散引起的表面不連續。第一章緒論本文的主要研究內容及創新點本文的主要研究內容本文的土要研究內容包括：（）采用彈塑性大變形和接觸非線性有限元法研究了牢拔管，芯棒拔管的成型過程，考慮了模具的變形。模擬過程中參數研究包括了模具的形狀、尺寸、材料模型和強化規律。（）發明了一種冷拔鋼管高精度預應力復合模具。（）研究了冷拔鋼管工程應用中的相關問題。（）建立了較為符合實際的焊管成型過程的三維有限元模型，包括軋輥（水平輥和立輥）和管坯，其中建立軋輥的三

44、維模型是為了研究軋輥對管坯的真實作用，建立管坯的三維模型是為了研究有壓靠力作用時鋼管的力學行為以及鍘管脫離軋輥后的回彈。（）采用彈塑性大變形和接觸非線性有限元法模擬了焊管第一架和第二架的成型過程，獲取了鋼管和軋輥在成型過程中的位移、應力和應變場的分布。成型方式考慮了單半徑和雙半徑兩種成型方式。本文研究的主要創新點本文研究的主要創新點包括：（）采用三維彈塑性大變形和接觸非線性有限元法研究了空拔管、芯棒拔管的成型過程，考慮了模具的變形，初步完成了冷拔鋼管和焊管的專用計算軟件，方便了參數研究，提高了計算效率，為工程師使用大型分析軟件解決了模具與工藝設計問題奠定了基礎。（）對工藝參數、材料模型和強化規

45、律對成型過程的影響進行了深入的研究，發現了錐模和弧型模對直徑和壁厚精度的不同影響，發展了一種高精度預應力復合模具，解決了采用蘇式模和中式模鋼管尺寸精度低以及模具磨損快和壽命低的問題。（）采用三維有限元法模擬了單半徑和雙半徑焊管的成型過程，考慮了壓靠力對成型過程的影響，發現了單半徑和雙半徑成型方法的不足，為合理設計焊管成型工藝和焊管軋輥奠定了基礎。（）發展了一種測量鋼管內表面殘余應力的雜交實驗方法，測量了鋼管內表面的殘余應力，研究了殘余應力對液壓缸缸筒承載能力的影響。殘余應力，研究了殘余應力對液壓缸缸筒承載能力的影響。第二章空拔鋼管成型過程的有限元分析第二章空拔鋼管成型過程的有限元分析本章中的數

46、值模擬工作都是采用大型有限元仿真軟件完成的。在本章中主要包括以下幾部分內容：數值模擬方法的驗證。將已有的實驗數據同通過數值模擬方法得到的數據進行對照，以驗證數值模擬方法的正確性與可行性。對現實生產中采用不同孔形模具進行鋼管的空拔成型過程進行數值模擬。大口徑鋼管成型過程的數值模擬通過數值模擬分析不同材料模型和不同強化規律對鋼管拔制力和成型精度的影響。通過對已有的各種模擬結果的分析，提出新型模具的設計方法。下面就這五方面內容進行詳細闡述。數值模擬方法的驗證為了說明數值模擬方法的正確性與可行性，在研究中首先對數值模擬方法的正確性與可行性進行了驗證。驗證的實驗數據來源于鋼管技術，年第期，鐘錫漢等人的無芯棒拔管時管子的壁厚變化一文中提供的實驗數據。通過將實驗數據與數值模擬得到的數據進行對照發現，數值模擬得到的數據與實驗數據在誤差范圍內基本吻合，從而驗證了數值模擬方法的正確性與可行性。表中列出了驗證的兩組實驗數據，下面就第二組實驗數據的驗證過程介紹如下：模具與單元劃分模具和鋼管尺寸如圖所示。鋼管拔制前尺寸為，成品管直徑為，模孔直徑取為成品管徑，模具的外徑為，長度為，定徑帶尺寸為。取長為的一段管材，考慮到對稱性，本文取模型，管材與模具均采用節點三維實體單元，單元數量總計為個，其中鋼管個單元，模具媳個單元，模具內表面劃分目標單元個，鋼管外表面劃分接觸單元個，管材與模具的有限元網格如圖所示，圖中