Совершенствование технологии производства труб большого диаметра (подгибка кромок, шаговая JCO-формовка, технологическая сварка и сварка рабочих швов, экспандирование). Разработка математических и конечно-элементных моделей и выполнение конечно-элементных расчетов пространственного теплового и напряженно-деформированного состояния металла (2011-2012 гг.)

В 2011-2012 г. сотрудниками лаборатории "Вычислительная механика" (CompMechLab®) НИУ СПбГПУ была выполнена НИОКР для ЗАО "Ижорский трубный завод" по теме "Совершенствование технологии производства труб большого диаметра (подгибка кромок, шаговая JCO-формовка, технологическая сварка и сварка рабочих швов, экспандирование). Разработка математических и конечно-элементных моделей и выполнение конечно-элементных расчетов пространственного теплового и напряженно-деформированного состояния металла (на основе ANSYS / LS-DYNA / SYSWELD-технологий)".

Целью работы было конечно-элементное исследование напряженно-деформированного состояния, возникающего в заготовке в процессе изготовления труб большого диаметра из стального листа на основных четырех этапах технологического цикла:

• подгибка кромок,
• шаговая JCO-формовка,
• технологическая сварка и сварка рабочих швов,
• экспандирование.

Этапы технологического цикла производства труб большого диаметра

В ходе первых двух этапов конечно-элементного (КЭ) моделирования исследовались процессы деформирования и соответвующие напряженное-деформированные состояния, возникающие в процессе многошаговой подгибки кромок листа, а также механическое поведение трубной заготовки с подогнутыми кромками в ходе технологической многошаговой процедуры "формовка" (на основе ANSYS / LS-DYNA-технологий).

Результаты конечно-элементного моделирования (на основе ANSYS / LS-DYNA-технологий)
технологических операций: операция подгибки кромок и формовки трубы из листа.
На рисунке представлено поле интенсивности пластических деформаций (анимация)

В третьей части работы выполнено КЭ моделирование процессов деформирования, возникающих в ходе сведения кромок и выполнения технологических операций сварки свободных кромок и друг с другом (на основе SYSWELD-технологии).

Результаты конечно-элементного моделирования: технологическая операция подгибки краев
и полный технологический процесс сварки трубы в соответствии
с последовательностью нанесения швов (на основе SYSWELD-технологии).
На рисунке представлены поля перемещений (анимация)

Конечно-элементное моделирование нанесения технологических и основных сварных швов выполнено в соответствии с заданным технологическим процессом. Целью этого этапа работы являлось исследование нестационарных пространственных температурных полей, возникающих от перемещающегося в пространстве теплового источника, а также КЭ исследование параметров напряженно-деформированного состояния трубы в процессе выполнения сварки и КЭ исследование остаточных деформаций после полного остывания трубы.

Результаты конечно-элементного моделирования (на основе SYSWELD-технологии):
деформированное состояние трубы (d813) в различные моменты времени при выполнении наружного шва

 

Результаты КЭ моделирования: поле перемещений трубы после операций сварки	Результаты КЭ моделирования: распределение температур после операций сварки
Результаты КЭ моделирования: эффективные пластические деформации в зоне сварного шва после операций сварки	Результаты КЭ моделирования: распределение эквивалентных напряжений в зоне шва после выполнения сварки

 

 

Результаты КЭ моделирования: изменение температурного поля во времени

 

Сравнение результатов КЭ моделирования с экспериментальными результатами.
Видно хорошее совпадение КЭ-результатов с образцом макрошлифа по контуру проплавления
и зоны термического влияния для трубы d1420

На четвертом этапе работы выполнялось конечно-элементное исследование механического поведения трубной заготовки в процессе технологического этапа – экспандирования трубы (на основе ANSYS / LS-DYNA-технологий). Принципиально важным для этого и всех предыдущих этапов является корректный учет ("наследование") полей деформаций, полученные на предыдущих технологических операциях. Экспандирование трубы выполняется с целью обеспечения требуемой цилиндрической формы трубы для дальнейших операций сборки и монтажа.

Результаты конечно-элементного моделирования (на основе ANSYS / LS-DYNA-технологий):
операция экспандирования трубы после сварки. Поля интенсивности пластических деформаций в процессе
выполнения экспандирования (анимация)

Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab® на основе выполненных в 2011-2012 гг. конечно-элементных исследований.