波纹管成形过程的数值模拟

杨东 倪洪启

摘要：波纹管的成形是管坯在压缩和弯曲的应力下的弹塑性变形，变形过程既有材料非线性还有几何非线性，变形过程较为复杂，同时也会引起管坯的回弹、破裂等问题。该文通过有限元软件ANSYS，仿真分析波纹管的成形过程，模拟出波纹管成形过程中应力分布情况以及波纹管的成形极限，为指导和优化成形工艺提供重要的分析依据。

关键词：波纹管；数值模拟；成形过程；ANSYS

波纹管成形方式有液压成形、机械成形和焊接成形等多种方式，本文研究波纹管液压成形的数值模拟。波纹管液压成形是把管坯放入模具内，将液体充入管坯空腔中，然后液压机压缩管坯里面的液体，使管坯的部分直径胀大，最后贴靠模具得到需要的波纹尺寸和形状[1]。

波纹管的成形过程是一个大挠度、大变形的塑性变形过程，管坯在拉伸和弯曲的复杂应力状态下的塑性流动、塑性强化问题[2]。波纹管的成形过程是一个复杂的多体接触的力学分析问题，要比较精确地解决成形过程中大位移大变形的弹塑性问题，就要考虑材料非线性、几何非线性和边界非线性的影响，来解决波纹管成形过程中的应力应变分析。

1. ANSYS模拟波纹管成形过程

1.1.模具的简化

由于波纹管的结构和受力都具有轴对称性，因此在对波纹管进行受力分析过程中对成形模具要进行适当的简化，不考虑模具在力和约束下的形变，不考虑模具和管坯之间受到的接触应力，把模具简化为波纹管状的不锈钢管套。

1.2.波纹管的参数和单元选择

用有限元方法分析管坯受到的力和约束，首先要选择计算模型和单元类型，计算模型采用平面轴对称模型、三维实体模型等，单元可以采用轴对称单元和梁单元，也可以采用空间壳单元来分析管坯的应力应变情况。

3.结果讨论

3.1.波纹管的成形属于弹塑性变形，分析其强度不宜采用屈服强度为界限，应该采用材料的极限强度，波纹管的有效应力应小于材料的极限强度。

3.2.在曲率半径较大的两侧等效应力较小，在曲率半径较小的两侧出现应力集中。当应力值超过管坯材料的极限强度时，波纹管将在该区域的表面开裂[5]。

3.3.采用ANSYS有限元分析可以模拟出波纹管成形过程中，应力应变分布情况、压缩位移以及成形后波纹管的几何尺寸等。能够为生产加工过程中波纹管实际成形提供指导，为波纹管模具的设计制造提供可靠的依据。

参考文献：

[1]宋林红，黄乃宁，林国栋等.CAE在波纹管成形数值模拟中的应用[J].管道技术与设备.2010（04）：35-37.

[2]曹宝璋，陈永忠，俞彬等.金属波纹管成型方法的分析与比较[J]. 管道技术与设备. 2001（02）：11-15.

[3]刘岩，段玫，张道伟.波纹管应力分析研究进展[J].管道技术与设备.2006（04）：31-36.

[4]杨义俊， 王心丰.多层波纹管非线性有限元应力分析[J]. 压力容器， 2003， 20（ 9）： 13-16.

[5]尹飞，高宝奎，张进等.油井堵漏可膨胀波纹管的有限元分析[J].石油机械.2012（05）：66-69.

作者简介：

杨东（1986—），汉，男，湖北武汉人，硕士研究生，主要从事机电一体化方向的研究。

倪洪启（1967—），汉，男，辽宁沈阳人，副教授，博士，主要从事机械自动控制系统及机械CAD、CAM、CAE等方向的教学与科研。