热载荷对冷拔20∕316L复合管结合强度影响的数值模拟及试验研究.pdf

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1、718化工机械2012年热载荷对冷拔20／316L复合管结合强度影响的数值模拟及试验研究张林“陆晓峰2郑一新2(1·苏州海陆重工股份有限公司；2·南京工芈大学机械与动力工程学院)摘要为了探讨热载荷对冷拔20／316L双金属复合管内、外管同结合强度即残余接触压力的影响，运用有限元分析软件ABAQUS6．5模拟研究了复合管的拉拔成型过程，并通过重启动分析模拟了燕加载、卸栽时复合管应力状态及残余接触压力耐变化，分析了不同温度对冷拔20／316L复合管残余接触压力的影响。结果表明，3000c是衬管发生弹性与塑性变形的临界温度，350℃是基管与衬管发生脱离的起始温度。

2、最后通过复合管拉拔试样的熟栽荷试验，验证了数值模拟的正确性。关键词双金属复合管热栽荷冷拔残余接触压力数值模拟中图分类号TQ055．8+l文献标识码A文章编号0254-6094(2012)06-0718．06目前，以冷拉拔工艺黼造的双金属复合管正以其耐腐蚀性能好、使用寿命长、制造工艺简单以及价格低廉等优点受到炼油、石化等行业的关注，广泛应用于石化装置有腐蚀性介质的管道或换热器管束，降低装置的投资和运行成本。但由于冷拉拔型双金属复合管的碳钢基管和不锈钢衬管是以纯机械方式紧密结合在一起的，在工作温度等热载荷的作用下会因内、外管材料热膨胀系数的不同而出现分层、脱离现

3、象，影响其整体强度或导热性能，因此研究热载荷下复合管结合强度(残余接触压力)的变化规律对工程实际具有重要的指导意义。复合管拉拔成型是非常复杂的弹塑性变形过程，既是物理非线性，又是几何非线性，而且边界条件也很复杂¨3，因而使得拉拔复合双金属管的理论研究十分困难，国内学者仅秦建平等对双金属管空拉复合过程作了一些探索性理论分析B一1。随着计算机技术的发展，基于有限元法的数值模拟在金属塑性成形中得到广泛应用。AlcarazJL和Gil·sevillanoJ¨。利用有限元法对高温挤压复合双金属管成型进行数值模拟，得到了不同参数对复合管挤压成型的影响；Berski等吲基

4、于有限元法分析了铝棒套在铸管里通过爆炸复合形成双金属棒的过程，研究了模具形状和挤压比对挤压成型的影响；而有关内衬316L双金属复合管冷拉拔过程和热载荷对复合管结合强度影响的有限元数值模拟及试验研究未见报道。笔者以有限元软件ABAQUS6．5为研究平台，对用作加氢裂化高压空冷器管束的20／316L复合管拉拔成型过程进行模拟，对拉拔成型过程的拉拔力及和外管间残余接触压力进行分析，在原有模型基础上通过重启动分析模拟了热加载时复合管内外管残余接触压力的变化和不同温度对复合管残余接触压力的影响，找出内、外管发生脱离的起始工作温度，最后用实际拉拔复合管试样进行热载荷影响

5、试验，以验证数值模拟的有效性。1热应力分析的基本理论图1为拉拔复合管几何模型。由图1可见，衬管的变形区分为定径带区I和拉拔扩径区II，a是模具锥半角，r为工作锥与定径带处过渡圆弧半径，l为定径带长度，d为拉拔模具定径带区直径，r、Ⅳ为衬管在定径带区所受的摩擦力和正压力。拉拔过程中，模具在拉拔力的作用下逐渐与衬管相接触，衬管在拉拔模具挤压下产生径向扩}张林，男，1965年6月生，工程师。江苏省张家港市，215600。第39卷第6期化工机械719径和轴向伸长，拉拔模具进入定径区后，衬管产生弹塑性变形，受到模具的正压力和切向摩擦力的式中作用。图1拉拔成型示意图1．

6、1有限元本构方程弹塑性有限元法的本构关系在弹性阶段符合虎克定律，进入塑性状态后符合Prandtl．Reuss理论，根据Prandtl-Reuss理论和Mises屈服准则得到大变形弹塑性速率本构方程一般可表示为：舌i=c嚣。；。。(1)式中c冀．——有限弹塑性应力应变矩阵张量；et-——Almansi应变率张量，；=；：+el；；盯“——Cauchy应力的Jaumanm导数。设物体内部存在温差的分布△丁(算，Y，彳)，那么这个温差将引起热膨胀，其膨胀量为a，·AT(戈，Y，z)，其中a，为热膨胀系数，则该物体的物理方程由于增加了热膨胀量(正方向上的温度应变)而

7、变为：s。=D驰JorkI+8：(2)其中，占：=[aT△rdI-△ra1．△7100]7。1．2有限元方程及求解笔者使用有限变形弹塑性欧拉有限元方法求解弹塑性大变形的高度非线性问题，在计算上允许有稍大的位移增量而不致出现不收敛，从而适合拉拔等金属塑性成型问题。在ABAQUS／Ex—plicit中应用Newton·Raphson算法获得非线性问题的解答，采用增量加载法，Newton—Raphson法的迭代公式：，△H”=一(K；)“中“=(K；)一1(R—P“)k：(票)n-(兰)n∞)u⋯’=““+△M”群——第／"t次迭代的切线刚度；P——外载；尺——增

8、量载荷；△M——位移增量；中——质点位移。对于拉拔等