管端加厚机机架有限元数值模拟及优化设计

胡 洪，王建国，杜学斌，徐能惠，邵国栋

（1.金属挤压与锻造装备技术国家重点实验室，陕西 西安 710032；2.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032）

管端加厚机机架有限元数值模拟及优化设计

胡 洪1，2，王建国1，2，杜学斌1，2，徐能惠1，2，邵国栋1，2

（1.金属挤压与锻造装备技术国家重点实验室，陕西 西安 710032；2.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032）

管端加厚机机架是结构复杂的焊接件，是主机的一个关键部件。建立了机架的数值模型并对其进行有限元计算。根据计算结果改进了机架结构，改善了机架受力状态，为进一步结构设计积累了经验。

管端加厚机；机架；有限元数值模拟；优化设计

钢管管端加厚采用局部加热水平锻造成形的工艺方法，是将钢管管端进行局部加热采用外力使钢管端部内外径发生变化，从而增加端部壁厚、增强钢管端部强度的过程。管端加厚机是用于管端镦粗成型的专用设备，从结构上看管端加厚机相当于一台具有特殊结构的水平锻造液压机，由一台具有整体闭式框架的垂直液压机和一台水平液压机有机组合而成。垂直液压机用于钢管的夹紧，水平液压机用于对管端实施镦锻[1][2]。

主机机架是管端加厚机的关键部件，采用了整体焊接框架结构。工作过程中机架同时承受夹紧力和加厚力，受力状态比较复杂，对其受力状态进行有限元模拟并对结构进行优化，不仅可以保证机架的强度和刚度满足加厚时的使用要求，而且为加厚机系列化设计提供理论依据。

本文对公称夹紧力为500t的油管管端加厚主机机架进行建模，运用通用有限元软件ABAQUS对其在夹紧和镦粗状态下的应力应变状态进行数值模拟，并根据计算结果对机架的结构进行了优化[3][4][5]。通过优化改善了机架的受力状态，也为进一步结构设计积累了经验。

1 机架结构

管端加厚机主机机架总体上是用钢板焊接而成的矩形框架结构，如图1所示。本框架结构可以分为上、下梁和左、右立柱四个部分，上梁安装有三个缸筒，主柱塞缸筒位于上梁中间位置，左右两边各设计有一个活塞缸缸筒。

图1 管端加厚机机架

在镦粗过程中，上下梁受一个柱塞缸和两个活塞缸共同产生的垂直夹紧力的作用，左右梁受水平缸产生的镦粗力的作用。

2 机架数值模拟条件分析

由于机架结构较为复杂，计算中首先用三维建模软件SolidWorks建立机架三维模型，如图2所示。将模型文件转化为*.x＿t格式后导入到通用有限元软件ABAQUS进行计算。

其中，钢板材料为16Mn，缸筒材料为35钢。计算中，以系统工作的最高压力27MPa计算各部分施加于模型的载荷，最大夹紧力为5.99MN，最大镦粗力为2.6MN。为了模拟结果的准确性，在计算中根据实际受力情况将这两部分力以压力的形式施加于模型各部分。

图2 机架SolidWorks三维模型

主机机架受力状态分为夹紧和镦粗两种状态，为了使有限元模型的载荷施加更接近实际受力状态，本文进行如图3所示的夹紧状态载荷施加和如图4所示的镦粗状态载荷施加。

图3 夹紧状态施加的载荷

图4 镦粗状态施加的载荷

综合考虑模拟计算时间和计算结果准确性两个因素，划分网格时使用四节点四面体单元，网格不大于30mm。

由于机架受载荷时与地基的相互作用比较复杂，为了分析边界条件对计算结果的影响，计算中对模型采用了两种边界，分别如图5、图6所示（分别称为边界条件M、N），边界条件M中将机架底板与地基相接触的部分全部固定约束，边界条件N只将底板中间部分与地基相接触部分固定约束。其中边界条件N是考虑到机架发生变形较大时的极限情况，这时假想底板两端变形太大向上翘起，与地基不接触。

图5 边界条件（M）

图6 边界条件（N）

3 数值模拟结果分析

按上述加载条件和边界条件对模型进行计算。图7、图8分别为机架在夹紧状态和镦粗状态的等效应力云图（图中超出80MPa部分用银色显示）。

由于镦粗状态时机架除了受到竖直方向的夹紧力之外，也有水平方向的镦粗力使机架的受力区域更趋于均匀，改善了机架的变形。所以，尽管镦粗状态的受力情况比夹紧状态更复杂，但机架却是在夹紧状态下应力较大。因此，数值计算和结构优化以夹紧状态为分析依据。

机架的应力较大处主要分布在如图9所示的A、B、C点，因此计算结果中主要列出了这些点的夹紧状态应力值。

表1为机架在夹紧状态时的应力计算值。从表中可以看出，除了上梁中间的主柱塞缸筒应力较大之外，B、C点的应力也超过了80MPa。

柱塞缸缸筒内表面的计算应力为110MPa左右，但考虑到主柱塞缸筒的内表面应力较大是由于高压油作用所致，而该钢筒采用35号钢锻造而成，缸体材料的力学性能可以满足使用要求。另外，可以看出，两种边界条件对计算结果的影响并不很大，结果相差2.9%左右，用边界条件N是较为保守的计算结果。

图7 夹紧状态等效应力云图

图8 镦粗状态等效应力云图

图9 夹紧状态下应力集中点（边界条件N）

表1 夹紧状态时机架的应力计算值/MPa

图10所示为夹紧状态的应变云图。其中，最大应变点在柱塞缸缸筒上部，最大应变为0.68mm，相对于机架的总体尺寸（长2820mm，高度3665mm）来说变形量很小，最大变形率为0.68/3665，在万分之二左右，表明机架已经具有较好的刚度。

图10 夹紧状态下应变云图（边界条件N）

4 机架结构优化

根据计算结果，从减小以上应力集中区域的目标进行结构优化。在图11中所示的P和Q处圆角半径由300mm增大至320mm，以期降低B、C两处的应力。

图11 机架结构优化示意图

对新的模型进行如前述相同的处理，计算结果如表2。从计算结果可以看出，B、C点的应力峰值均有明显降低。结构优化后的应力结果满足设计要求。

图12为结构优化后的应变云图，夹紧状态下机架最大应变位于柱塞缸缸筒上部，最大值为0.66mm，结构优化后的刚度满足设计要求。

另外，由于机架中环形面板的面积较大，只能采用拼焊方法来设计制造，有限元分析结果可以作为设计中的参考，设计的焊缝位置要避开应力较大区域。

表2 结构优化后机架的应力计算值/MPa

图12 结构优化后的应变云图（边界条件N）

5 结论

通过对管端加厚机机架的有限元数值模拟，可以比较容易地得到机架在工作过程中的应力和应变分布情况，发现结构设计中存在的问题，进而根据计算结果对机架设计进行优化，得到较好的设计结果。

[1]裴志强，权晓惠.石油钻杆管端加厚工艺研究 [J].重型机械，2002，（4）：33-36.

[2]王振志，满国祥，李晓晖，等.钻杆加厚锻造生产线的研发[J].地质装备，2008，（3）：18-23.

[3]王勖成.有限单元法[M].北京：清华大学出版社，2003.

[4]刘惟信.机械最优化设计[M].北京：清华大学出版社，2002.

[5]高 翔，胡 淼.框式热压机机架有限元分析及结构优化设计[J].机械设计，2009，26（4）：62-64.

The finite element numerical simulation and optimized design for the frame of pipe end upsetting machine

HU Hong1,2,WANG Jianguo1,2,DU Xuebin1,2,XU Nenghui1,2,SHAO Guodong1,2
（1.State Key Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment Technology, Xi'an 710032,Shaanxi China; 2.China National Heavy Machinery Research Institute Co.,Ltd., Xi'an 710032,Shaanxi China）

The frame of pipe end upsetting machine is a welding part with complex structure,which is a key component of the main machine.The numerical model has been established to the frame and finite element calculation has been performed.The structure and force status of the frame have been improved according to the calculation result,which accumulates experiencesfor the further design of the structure.

Pipe end upsetting machine;Finite element numerical simulation;Optimized design

TG376.9

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.021

1672－0121（2016）04－0067－04

2016－02－26；

2016－04－17

陕西省科技统筹创新工程计划项目（2014KTCL01－01）；中国重型机械研究院股份公司科研项目（K1305410）

胡 洪（1962－），男，高级工程师，从事重型锻压装备及工艺研究。E－mail：huhong－erzhong＠sina.com