U成型过程的有限元分析及刀片梁的结构优化

李新文

（宝山钢铁股份有限公司 钢管条钢事业部，上海 201900）

U成型过程的有限元分析及刀片梁的结构优化

李新文

（宝山钢铁股份有限公司 钢管条钢事业部，上海 201900）

为了避免UOE钢管制造工艺中原有U成型机刀片梁突然失效导致长时间停机，需要设计、制造新的刀片梁替换原刀片梁。采用有限元法建立U成型过程模型，并根据U形筒的尺寸、刀片梁的受力状态验证模型的可靠性。根据验证的模型，分析刀片梁的应力分布，优化刀片梁的结构，并验证结构优化方案。根据优化方案改进刀片梁，经使用后发现刀片梁的应力分布得到明显改善，大幅度地提高了刀片梁的结构可靠性。

U成型；刀片梁；有限元法；应力；应变；U成型机

Abstract:In case of long-term shutdown resulting from the sudden failure of original sword-like beam,the new one should be designed and manufactured to replace the original.The U-forming model was established by finite element method,and its reliability was verified in terms of the size of the U-shaped pipe and the stress state of the sword-like beam.According to the validated model,the stress distribution of the sword-like beam was analyzed，the structure of the sword-like beam was optimized，and the structural optimization scheme was verified.The sword-like beam was improved on the basis of the optimized scheme;after the new one came into service，online inspection showed the stress distribution of new sword-like beam was improved dramatically and its structural reliability was raised significantly.

Key words:U-forming;sword-like beam;finite element method;stress;strain;U-forming machine

1 U成型机基本情况概述

U成型机（以下简称U机）是宝山钢铁股份有限公司UOE焊管线的重要成型设备。UOE是U成型（U-forming）、O成型（O-forming）、扩径（expanding）的缩写。U机的主要作用是将经铣边、预弯边后的钢板沿纵向中心线弯曲，使钢板中部产生塑性变形，形成U形筒，获得接近成品管曲率的U形筒底部弯曲形状和较高的U形筒两侧对称度。U成型过程中U机各部位的动作时序见表1，其U成型压制过程如图1所示。

刀片梁是U机重要的大型构件，规格为19 m× 2.5 m×0.1 m，制造难度大，制造周期长，价格高，更换难度大，更换占用的停机时间长。原有U机刀片梁结构及安装如图2所示。刀片梁在安装后，类似于悬臂梁的结构，只有上部有液压缸约束，左右、前后无约束，容易失稳。2013年1月采用贴应变片在线检查U机刀片梁时，贴在

3号液压杆的连接卡盘下T字形交界焊缝处的应变片在 U成型过程中应变值最大，为 0.057。并且该位置是刀片梁最薄弱的位置，接近刀片梁上最宽的焊缝处，如果焊缝出现裂纹，裂纹的深度将较大，扩展较快，修复比较困难，严重的话，只能紧急更换刀片梁，将导致长时间停机。为避免原有刀片梁的突然失效，有必要优化原刀片梁，需要分析刀片梁的应力分布，找到容易发生失效的位置，改进原结构。

表1 U成型过程中U机各部位的动作时序表

图1 U成型压制过程示意图

图2 原有U机刀片梁结构及安装示意图

文献[1-6]对UOE弯边、U成型、O成型、预焊及扩径各个阶段进行了有限元模拟。文献[7-8]建立了UOE钢管成型的仿真模型，以确定特定规格的最佳成型条件。文献[9]采用三维有限元接触模型计算了有预紧力的预弯机应力应变分布，评估了预弯机承载能力[9]。文献[10-11]研究了UOE焊管U成型过程，摸索了U成型工艺模具与规格的匹配及参数设定。而对于类似U机的焊管成型机研究，陈正阳等对辊弯成型机的板料成型过程、机架的重要零件进行了有限元仿真分析[12]。

本研究采用有限元法在Abaqus平台上建立U成型过程模型，对比U形筒的计算结果与现场实际尺寸、刀片梁的受力计算结果与PLC的压力监控曲线，验证构建的有限元模型的可靠性。采用验证后的模型，分析刀片梁的应力状态，找到应力最大值位置；在原结构的基础上优化刀片梁结构，并用有限元法分析优化后的方案；制造并安装根据优化方案设计的新刀片梁，在线检测应变值以验证最大应变值及其位置。

2 有限元模型建立及可靠性验证

选用规格为X70 Φ762 mm×31.8 mm×18 m钢管，建立三维有限元模型，并进行验证。

2.1 有限元模型的假设及边界条件

构建的有限元模型基于以下假设及边界条件：

（1）模具、侧向台架、中间辊道设为解析刚体。刀片梁在模型验证时设为刚体以加快计算速度，在刀片梁的应力状态分析设为弹塑性体以计算刀片梁的应力场。

（2）钢板属性设为弹塑性材料，材料本构模型采用线性随动硬化模型，根据实验室数据得出的参数见表2。

表2 X70钢板的材料参数

（3）钢板的单元类型4节点线性减缩积分平面应变单元（CPE4R）。

（4）模具与钢板的接触采用主从接触算法，摩擦类型为罚函数摩擦，摩擦系数0.1。

2.2 基于U形筒宽度的模型可靠性验证

U形筒上部宽度和下部宽度是衡量U成型质量的重要指标。U形筒两侧均有一段未变形的直臂段，在端部横截面上，即AB段和CD段。直臂段上面是预弯边工序的变形区，下面是U成型工序的变形区；将U形筒外表面、直臂段上端左右两侧A和C之间的距离AC定为U形筒上部宽度，下端左右两侧B和D之间的距离BD定为U形筒下部宽度，如图3所示。

图3 U成型后U形筒宽度

构建的模型计算完成后，可得出U成型后U形筒各点的坐标，进而得出U形筒的宽度。在实际生产中，U形筒的宽度数据由激光测距仪测量，并把每根管子端部的上部、下部宽度测量值记录在MES系统中。表3为U成型后上部和下部U形筒宽度的仿真值与实测值的对比。从表3可以看出，U形筒宽度计算值在实测值的区间范围内，由此说明构建的模型计算结果可靠。

表3 U形筒宽度

2.3 基于刀片梁受力情况的模型可靠性验证

构建的模型可计算出在U成型过程中刀片梁的竖直压力，现场基础自动化系统可不断采集、记录刀片梁液压缸的实际压力、刀片梁与侧向台架的实际位置。在计算过程中，模型的刀片梁与侧向台架的位置变化情况与实际情况保持一致。

图4为U机刀片梁竖直压力的实际值与有限元模型的计算值对比曲线。从统计学原理分析：采用双样本T检验，实际值的平均值、标准差分别是3 375、2 951，计算值的平均值、标准差分别是3 306、2 849；实际值与计算值的差值的 95%置信区间为（-593，729），区间包含零，表明两组数据不存在差异；进行假设检验，检验统计量为0.20，p值为0.840，由于p值大于通常选择的α水平（0.05），所以没有证据证明这两组数据有差异。因此，实际值与计算值这两组数据之间可认为没有差异，由此说明构建的模型计算结果可靠。

图4 U机刀片梁竖直压力的实际值与计算值对比曲线

从图4可看出，U机刀片梁的竖直压力最大值出现在刀片梁的下压过程中（对应的刀片梁位置为581 mm，刀片梁位置最大值为1 063 mm），实际最大值为7 464 kN，计算最大值7 366 kN。

3 刀片梁的应力分析及结构优化

3.1 原有刀片梁的应力场分析

将经验证后有限元模型中的刀片梁设为弹塑性体，采用 C3D8实体单元类型。刀片梁用Q345碳钢材料焊接而成，相应的参数见表4[13]。

表4 U机刀片梁参数

刀片梁的失效形式以屈服为主，因此采用第四强度理论（等效应力理论）分析。U机刀片梁的竖直压力出现最大值时如图5所示。

图5 U机刀片梁应力场的计算结果

计算结果分析如下：

（1）最大Mises等效应力360 MPa，出现在刀片梁与3号液压杆的连接卡盘下的T字型交界焊缝，见图5（a）；

（2）最大压应力-592 MPa，与最大Mises等效应力出现的位置相同，见图5（b）；

（3）最大拉应力263 MPa，出现在刀片梁与3号液压杆的连接卡盘处的T字型上表面中心，见图5（c）。

因此，计算结果与实测应力最大值出现的位置是对应的。从等效应力分布图可以看出，在T字形交界焊缝处产生了严重的应力集中，而且此处的等效应力超出了Q345钢的屈服强度345 MPa，存在强度不足现象。

3.2 刀片梁结构优化方案

根据以上分析结果，对刀片梁的结构进行优化，主要是将两端焊接的矩形肋板改为直角三角形立肋板，并将厚度由20 mm增加到30 mm；为避免立肋板与T字形交界焊缝相互干涉，立肋板的直角倒R15 mm圆角；刀片梁与液压杆的连接卡盘处的肋板上直角边70 mm，下直角边220 mm，如图6中黄色小肋板；刀片梁两端、相邻卡盘之间的肋板上直角边150 mm，下直角边300 mm，如图6中红色大肋板。

图6 优化后的刀片梁结构

3.3 结构优化后刀片梁的有限元分析结果

结构优化后的U机刀片梁应力场的计算结果如图7所示。

图7 结构优化后的U机刀片梁应力场的计算结果图

计算分析结果如下：

（1）最大Mises等效应力297 MPa，出现在4号液压杆的连接卡盘下中间小立肋板与水平板的交界处，见图7（a）；

（2）最大压应力-321.3 MPa，同最大Mises等效应力出现的位置，见图7（b）；

（3）最大拉应力90.5 MPa，出现在2号液压杆的连接卡盘下面的小立肋板倒圆孔边角，见图7（c）。

从计算结果看出，最大Mises等效应力比结构优化前降低，并在材料的屈服强度极限内；最大应力出现的位置均在小肋板与水平板或竖直板的焊缝处，即使出现裂纹也便于修复；因此，优化的方案是可以接受的。

根据结构优化方案制造的新刀片梁在装机使用后，采用贴应变片的方式在线检查，发现新刀片梁最大应变位置在4号液压杆的连接卡盘下中间小立肋板与水平板的交界处，与新刀片梁的有限元模型分析结果一致，最大应变值为0.038，下降到原最大实测值（0.057）的67%；原刀片梁的最大应变位置（3号液压杆的连接卡盘下T字型交界焊缝处）的最大应变值为 0.001，下降到原最大实测值（0.057）的1.6%。结果表明，优化效果明显。

4 结论

（1）刀片梁是U机的重要构件，在线应力检测过程中发现最大应力出现在刀片梁最薄弱的部位；需要分析刀片梁的应力分布，并制定相应的对策，以优化刀片梁的结构。

（2）对X70 Φ762 mm×31.8 mm×18 m规格钢管的U成型过程，构建过程有限元模型，对比U形筒宽度的实际值与计算值、刀片梁竖直压力的实际监控值与计算值，说明模型可靠。

（3）利用验证后的模型对原有刀片梁的结构进行应力场分析，找到刀片梁最容易发生失效的位置，并优化原结构。

（4）利用有限元模型，对刀片梁结构的优化方案进行应力场分析，找到最容易发生失效的位置；计算结果表明，最大Mises等效应力降低到制造材料的屈服强度极限以内，而且未出现在不易修复的位置，优化方案切实可靠。

（5）按照优化方案制造刀片梁，对其进行在线测量，发现最大应变值出现的位置与有限元模型分析结果一致，而且比原刀片梁的最大应变值大幅降低。

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Finite Element Analysis of U-forming Process and Structural Optimization of Sword-like Beam

LI Xinwen
（Tube，Pipe and Bar Business Unit,Baoshan Iron&Steel Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China）

TE973

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.03.014

2016－12－21

编辑：李红丽

李新文（1983—），男，工程师，硕士，主要从事材料加工方面的工作。