弯管机结构分析与优化(附件)
摘 要 摘 要 随着机械工业的不断发展，电力施工，石化工业，航空航天，桥梁船舶等行业对弯曲管件的数量需求及精度要求也不断提升，许多品种型号的弯管机也随之产生。管材的弯曲成形技术有多种工艺，如推弯，压弯，滚弯，绕弯成形等。近几年来，我国在管材弯曲加工行业取得了一定的成绩，各种各样采用不同弯管工艺的弯管机不断出现。但近几年来国外弯管机企业凭借这更好的技术优势，加大在我国的攻势，抢占市场。而随着市场饱和，此前野蛮生长的情况不复存在，我国的弯管机行业也出现了一定的技术瓶颈。在此情况下，对现有弯管机进行一定的优化是十分必要的。而本文所分析的合丰机械的某型号弯管机采用了推弯成形的方法，可以较好的避免起皱，塌陷等问题。而推弯成形是一个较为复杂的材料非线性，几何非线性且边界条件非线性的多因素相互耦合作用的复杂成形过程，对于这种结构复杂的材料模型，一般可以采用有限元分析的方法对管材推弯成形过程进行分析，本文采用功能强大的ABAQUS有限元分析软件建立了推弯成形的模型，并根据有限元分析的结果对弯管机的主要部件进行了分析与校核，发现这款弯管机在轴的选取，弯管臂的夹紧强度等方面还有一定的问题，所以根据校核结果对弯管机进行了部分优化。关键字：推弯；abaqus软件；有限元分析目 录
第一章 绪 论 1
1.1引言 1
1.2 管材的弯曲原理 1
1.3.1弯管方式的分类 2
1.3.2 弯管机的分类 3
1.4推弯的特点 3
1.5选题的背景与意义 4
1.6本文的主要研究内容 4
第2章 有限元分析基础理论与ABAQUS软件介绍 5
2.1有限单元法的基础理论 5
2.2 ABAQUS 软件介绍 5
2.3 ABAQUS在机械行业中的应用 6
2.4 ABAQUS 软件的工作流程 6
第三章 建立弯管机推弯成形的有限元模型 8
3.1 引言 8
3.2几何模型的建立 8
3.3材料模型的建立 9
3.4 单元类型的选择 9
3
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
论 5
2.2 ABAQUS 软件介绍 5
2.3 ABAQUS在机械行业中的应用 6
2.4 ABAQUS 软件的工作流程 6
第三章 建立弯管机推弯成形的有限元模型 8
3.1 引言 8
3.2几何模型的建立 8
3.3材料模型的建立 9
3.4 单元类型的选择 9
3.5网格划分 10
3.6 分析步的定义 11
3.7 接触问题和摩擦处理 11
3.8 载荷施加与边界条件 12
3.9 分析计算与后处理 13
3.10 模型的验证 13
3.11本章小结 13
第四章 弯管机某些部件的校核优化 15
4.1 引言 15
4.2 模具中轴的强度校核与优化 15
4.2.1 推轮中轴校核强度与优化 15
4.2.2 轮模中轴的强度校核与优化 16
4.3 顶推液压缸的校核 18
4.4 弯管臂的夹紧力的校核 19
4.5弯管臂旋转电机的校核 20
结 论 21
致 谢 22
参考文献 23
第一章 绪 论
1.1引言
随着工业水平的不断发展，各行各业对弯曲管材的要求不论在数量上还是在精度上都不断提升，在这种情况下，对管材的塑性加工成形行业也因此存在着大量的机遇和挑战，所以对传统管材塑性加工机械进行改造，并发展出更好的塑性加工技术，并且要提高弯管加工精度，提高加工质量与工作效率，成为了机械行业迫在眉睫的事。在新的工业发展背景下，对管材的塑性成形精度和加工效率要求不断提高，新的弯管技术也不断出现，对管材的弯曲成形过程进行科学定量的分析，并以此为依据对弯管机进行优化显得算法必要。而推弯工艺是管材的塑性加工成形的一种重要方法之一，它工艺过程简单方便对模具要求较低，并且可以在一定程度上避免弯曲过程中起皱的可能性，兼顾了成本和精度要求。而为了满足现代工业对弯曲管材的大规模需求，并且满足对弯曲管件在高弯曲精度上的需求，因此在石油化工，航空航天等行业中的弯管成形加工中，数控弯管加工方式已逐渐取代传统的弯曲加工方式，在现代塑性加工工业中占有重要地位。在这种情况下对数控冷弯管机的加工过程进行有限元分析，模拟其加工过程并得出管材的模拟加工结果，可以得知管材在此模拟条件下会否发生起皱等问题，并且可以同时校核弯管模的强度，并进行一定的优化是十分必要的。
1.2 管材的弯曲原理
当管材的弯曲部分受到外力矩M时，管材外部因为受到切向力拉伸作用而被拉长，而在弯曲部分的内部管材因受到切向压缩作用而被缩短。在管材被弯曲的部分中切向的应力与应变的分布是连续不断的。所以当管材的弯曲过程结束后，外力矩 M 消失，而管材被弯曲的部分在弯管后的变化是外部管材被伸长，内部管材被缩短，所以在管材伸长区与压缩区中间肯定存在一层纤维，我们可以把它称作过渡层，该层纤维没有发生应变和形变，它的大小没有变化，我们可以把这个纤维层称为应变中性层。切向的应力则由管材外侧的拉应力逐渐转变为材料内侧的压应力，同样在管材被压缩的部分也应该有一层纤维，它不受到应力，这个纤维层一般被称之为应力中性层
1.3 弯管工艺与弯管机的分类
1.3.1弯管方式的分类
管材的塑性加工成形方法种类繁多。按照管材弯曲成形时是否对其进行加热以方便弯管可以分为常温弯管和加热弯管；按照弯曲时是否需要在管材内部放置芯棒可以将弯管方式分为有芯弯管和无芯弯管。而有时对管材的形状或精度有一些特殊要求，为了达到要求并减少加工难度，随之产生了一些特殊的弯管加工工艺,如锥形芯棒扩管弯管、起皱弯管、振动冲击弯管、塌角弯管等。我们把现代常用的主要弯管工艺方式归纳为以下四种：
(1) 推弯
管材推弯成形的工作原理是将要进行弯管的管材放到导向套内，在顶推装置的推力作用下，先将管材顶推到需要弯曲的部分，凹模在弯管臂的旋转力带动下先对管材进行预弯，在管材形成一定的预弯角度后,顶推装置继续将管材推弯成形。在推弯成形过程中，管材弯曲部分由于弯曲角度的不同可能会发生坍塌，起皱等现象，在生产实践中，为了解决这些问题可以在管材内部放置一根芯棒，在推弯过程中它和弯曲的管材一起被顶推装置推出。为了在管材成形后弯管端头可以平齐，可以把管材的一端制成斜面。然而推弯成形也有一定的限制性，只有当对管材对弯曲半径要求较小时，可以采用推弯成形的方法。
(2) 压弯
压弯成形的装置通常有两个可以移动的凹模，管材被放置在两个凹模中间，此时提供推力使凸模下压，管材受凸模压力被弯曲成形。压弯机装置结构简单且成本较低，但是管材成形情况较为一般，常在管材弯曲部分发生较为严重的塌陷和起皱现象，这对压弯工艺的适用范围产生很多限制，薄壁管材在此情况下难以成形。因此通常情况下，这种方法用作壁厚较厚的圆管的二维弯曲。
(3) 滚弯
滚弯成形工艺是一种可以在单一设备上对管材进行弯曲成形的先进工艺，一般由三个带有驱动装置的辊轮对管材进行弯曲加工。滚弯成形的工作原理类似于板材的滚弯成形方法，当使用滚弯方式时，如果要得到得到不同的曲率半径的弯曲管材，需要对辊轮的间隔进行改变。滚弯成形方式难以完成曲率半径较小的管材弯制，一般只能适用于弯曲曲率较大且壁厚较厚的管材弯曲成形，常常被使用作环形管材加工工艺。
(4)绕弯
绕弯成形方式一般是最为多见的，因为常见的手工弯管机就是采用这种方式弯曲管材的，采用绕弯成形工艺的弯管机种类也非常多。手工弯曲成形一般用作对弯曲精度要求不高的小批量生产中，人工弯管装置成本比较低，但由于采用人力为动力，生产率不高且人力成本较高，而
第一章 绪 论 1
1.1引言 1
1.2 管材的弯曲原理 1
1.3.1弯管方式的分类 2
1.3.2 弯管机的分类 3
1.4推弯的特点 3
1.5选题的背景与意义 4
1.6本文的主要研究内容 4
第2章 有限元分析基础理论与ABAQUS软件介绍 5
2.1有限单元法的基础理论 5
2.2 ABAQUS 软件介绍 5
2.3 ABAQUS在机械行业中的应用 6
2.4 ABAQUS 软件的工作流程 6
第三章 建立弯管机推弯成形的有限元模型 8
3.1 引言 8
3.2几何模型的建立 8
3.3材料模型的建立 9
3.4 单元类型的选择 9
3
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
论 5
2.2 ABAQUS 软件介绍 5
2.3 ABAQUS在机械行业中的应用 6
2.4 ABAQUS 软件的工作流程 6
第三章 建立弯管机推弯成形的有限元模型 8
3.1 引言 8
3.2几何模型的建立 8
3.3材料模型的建立 9
3.4 单元类型的选择 9
3.5网格划分 10
3.6 分析步的定义 11
3.7 接触问题和摩擦处理 11
3.8 载荷施加与边界条件 12
3.9 分析计算与后处理 13
3.10 模型的验证 13
3.11本章小结 13
第四章 弯管机某些部件的校核优化 15
4.1 引言 15
4.2 模具中轴的强度校核与优化 15
4.2.1 推轮中轴校核强度与优化 15
4.2.2 轮模中轴的强度校核与优化 16
4.3 顶推液压缸的校核 18
4.4 弯管臂的夹紧力的校核 19
4.5弯管臂旋转电机的校核 20
结 论 21
致 谢 22
参考文献 23
第一章 绪 论
1.1引言
随着工业水平的不断发展，各行各业对弯曲管材的要求不论在数量上还是在精度上都不断提升，在这种情况下，对管材的塑性加工成形行业也因此存在着大量的机遇和挑战，所以对传统管材塑性加工机械进行改造，并发展出更好的塑性加工技术，并且要提高弯管加工精度，提高加工质量与工作效率，成为了机械行业迫在眉睫的事。在新的工业发展背景下，对管材的塑性成形精度和加工效率要求不断提高，新的弯管技术也不断出现，对管材的弯曲成形过程进行科学定量的分析，并以此为依据对弯管机进行优化显得算法必要。而推弯工艺是管材的塑性加工成形的一种重要方法之一，它工艺过程简单方便对模具要求较低，并且可以在一定程度上避免弯曲过程中起皱的可能性，兼顾了成本和精度要求。而为了满足现代工业对弯曲管材的大规模需求，并且满足对弯曲管件在高弯曲精度上的需求，因此在石油化工，航空航天等行业中的弯管成形加工中，数控弯管加工方式已逐渐取代传统的弯曲加工方式，在现代塑性加工工业中占有重要地位。在这种情况下对数控冷弯管机的加工过程进行有限元分析，模拟其加工过程并得出管材的模拟加工结果，可以得知管材在此模拟条件下会否发生起皱等问题，并且可以同时校核弯管模的强度，并进行一定的优化是十分必要的。
1.2 管材的弯曲原理
当管材的弯曲部分受到外力矩M时，管材外部因为受到切向力拉伸作用而被拉长，而在弯曲部分的内部管材因受到切向压缩作用而被缩短。在管材被弯曲的部分中切向的应力与应变的分布是连续不断的。所以当管材的弯曲过程结束后，外力矩 M 消失，而管材被弯曲的部分在弯管后的变化是外部管材被伸长，内部管材被缩短，所以在管材伸长区与压缩区中间肯定存在一层纤维，我们可以把它称作过渡层，该层纤维没有发生应变和形变，它的大小没有变化，我们可以把这个纤维层称为应变中性层。切向的应力则由管材外侧的拉应力逐渐转变为材料内侧的压应力，同样在管材被压缩的部分也应该有一层纤维，它不受到应力，这个纤维层一般被称之为应力中性层
1.3 弯管工艺与弯管机的分类
1.3.1弯管方式的分类
管材的塑性加工成形方法种类繁多。按照管材弯曲成形时是否对其进行加热以方便弯管可以分为常温弯管和加热弯管；按照弯曲时是否需要在管材内部放置芯棒可以将弯管方式分为有芯弯管和无芯弯管。而有时对管材的形状或精度有一些特殊要求，为了达到要求并减少加工难度，随之产生了一些特殊的弯管加工工艺,如锥形芯棒扩管弯管、起皱弯管、振动冲击弯管、塌角弯管等。我们把现代常用的主要弯管工艺方式归纳为以下四种：
(1) 推弯
管材推弯成形的工作原理是将要进行弯管的管材放到导向套内，在顶推装置的推力作用下，先将管材顶推到需要弯曲的部分，凹模在弯管臂的旋转力带动下先对管材进行预弯，在管材形成一定的预弯角度后,顶推装置继续将管材推弯成形。在推弯成形过程中，管材弯曲部分由于弯曲角度的不同可能会发生坍塌，起皱等现象，在生产实践中，为了解决这些问题可以在管材内部放置一根芯棒，在推弯过程中它和弯曲的管材一起被顶推装置推出。为了在管材成形后弯管端头可以平齐，可以把管材的一端制成斜面。然而推弯成形也有一定的限制性，只有当对管材对弯曲半径要求较小时，可以采用推弯成形的方法。
(2) 压弯
压弯成形的装置通常有两个可以移动的凹模，管材被放置在两个凹模中间，此时提供推力使凸模下压，管材受凸模压力被弯曲成形。压弯机装置结构简单且成本较低，但是管材成形情况较为一般，常在管材弯曲部分发生较为严重的塌陷和起皱现象，这对压弯工艺的适用范围产生很多限制，薄壁管材在此情况下难以成形。因此通常情况下，这种方法用作壁厚较厚的圆管的二维弯曲。
(3) 滚弯
滚弯成形工艺是一种可以在单一设备上对管材进行弯曲成形的先进工艺，一般由三个带有驱动装置的辊轮对管材进行弯曲加工。滚弯成形的工作原理类似于板材的滚弯成形方法，当使用滚弯方式时，如果要得到得到不同的曲率半径的弯曲管材，需要对辊轮的间隔进行改变。滚弯成形方式难以完成曲率半径较小的管材弯制，一般只能适用于弯曲曲率较大且壁厚较厚的管材弯曲成形，常常被使用作环形管材加工工艺。
(4)绕弯
绕弯成形方式一般是最为多见的，因为常见的手工弯管机就是采用这种方式弯曲管材的，采用绕弯成形工艺的弯管机种类也非常多。手工弯曲成形一般用作对弯曲精度要求不高的小批量生产中，人工弯管装置成本比较低，但由于采用人力为动力，生产率不高且人力成本较高，而
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