山西冶金
SHANXI METALLURGY Total 174No.4，2018
DOI:10.16525/jki14-1167/tf.2018.04.01
家用食品搅拌机试（实）验研究
总第174期2018年第4期基于DEFORM 的皮尔格热轧复合钢管琉璃砖
有限元模拟及分析★
何宗霖
（山西工程职业技术学院
机械工程系，山西太原
030009）
摘
要：根据皮尔格轧机的轧制原理及特点，利用DEFORM-3D 软件建立了皮尔格热轧45号钢与316不锈钢 复合钢管轧制的有限元模型。完整的模拟了从复合管坯到成品复合管的热轧过程。根据仿真结果， 分析了皮尔格热轧复合管坯的过程中，各阶段双层金属壁厚的演变规律、头尾部质量原因、各阶段双层金属管金属流动变化规律、及内外管等效应力分布规律，为实际生产和理论研究提供了指导依据。关键词：皮尔格热轧 复合管
有限元模拟
中图分类号：TG335.71
文献标识码：A
文章编号：1672-1152（2018）04-0001-03
收稿日期：2018-03-22
★基金项目：山西省留学基金资助项目（2017-084），山西省重点学科建设经费资助，国家自然科学基金面上资助项目（U1710113），中国博士后科学基金面上资助项目（2017M622903），山西省重点研发计划一般项目（201703D121008）
作者简介：何宗霖（1982—），男，太原科技大学在读博士，山西工程职业技术学院讲师，主要从事金属塑性成形研究。
双金属复合材料管由两种不同的金属材料、比如合金钢和碳钢通过各种变形和综合技术使两种材料结
合成一个有机的整体，是一种新型的金属复合管道。其一般设计原则是，基层管材满足管道设计许用应力，且涂层管材耐腐蚀或耐磨。双金属复合管相对于整体合金管可以有效地降低成本。考虑到整体合金管应力腐蚀开裂对环境的敏感性，双层金属复合管可以提高安全性和可靠性。随着工业技术的发展和国际竞争加剧，许多金属管道综合性能的要求越来越高，因此双金属复合管及其生产技术得到了快速的发展[1]。
目前双金属复合管的生产方法主要包括冷连轧法、水压法、离心铸造法、爆炸成型法等。普遍存在的问题基本包括：结合层结合力弱，达不到冶金融合的效果；实践成本高，操作有一定的危险性等等[2]。本文采用皮尔格热轧复合管，以期能够实现不锈钢和碳钢管的生产。
1皮尔格轧制复合管工艺
实验用皮尔格轧机如图1所示，
图1中框内即为轧辊，轧辊上开有变截面的孔型，钢管是由此上下轧辊反复轧制成形的。轧制时将复合管坯加热至800益
实现热轧。目的是促使内外钢管在大变形轧制过程中实现冶金复合的同时，杜绝了氧化铁皮生成的可能性[3]。
2有限元模型的建立
皮尔格热轧钢管的有限元模型如图2所示。模型由上、下轧辊，管材，芯棒和推块组成[4]。将轧辊、芯棒、推块设定为刚体，复合管坯定义为塑性体。
其工艺参数与有限元模拟所使用的工艺参数完全一致，见下页表1
。
复合管坯网格划分如下页图3所示，
采用deform 自带圆环辊轧建立内外复合管六面体网格。外管最
图2皮尔格热轧复合钢管钢管有限元模型
图1
皮尔格轧机总图
推块
复合管坯
上轧辊
芯棒
下轧辊
山西冶金
E-mail:sxyjbjb@126
第41卷表1皮尔格冷轧机基本工艺参数
送进量/mm 回转
角度
/（°）
机架行
程次数
/
（次·min -1）
齿轮
直径
/mm
辊颈
/mm行程/mm
前回转
长度
/mm
后回转
段长度
/
mm
正行程1557603363769005050反行程15576033637690050
50
tilera5-1截面1
5-2截面2
监控摄像机外壳5-3截面3
5-4截面4
图5轧制过程中4个典型截面金属流动变化4-1半剖图
4-2尾部
4-3头部
图4轧制成品复合管尾部及头部质量
图3复合管坯网格划分
小边缘长度1.97mm，内管最小边缘长度3.4mm。网格
划分太小会导致计算量大幅提升，
精度也不会明显
提高
。
通过实际测量得到轧辊的平移速度为1680mm/s，
进而得到轧辊角速度为11rad/s。上下轧辊平移速度
方向大小一致；角速度大小
相等，方向始终相反
。
摩擦类型选用库伦摩擦，实际生产中在800℃
进行，润滑油进行润滑，所以设定轧辊、芯棒与管材
之间的摩擦系数为0.1。推块与复合管外管、内管接
触关系为不可分离。
采
用拉格朗日增量算法，结果步数定义为
跟随
模具位移，常数值为0.7mm；网格重画分干涉深度
定义为相对，相对值为0.7；迭代法采用直接迭代
法，求解器选用共轭梯度法；步数step设定每40步
一保存。
3
有限元模拟后处理
由图4可知，头部在
整个轧制过程中没有到边
界条件的约束，两种金属材料塑性变形不一致，所以
出现了层次不齐的现象。成品管材需要锯切掉这段。
尾部由于推块的约束，非常平
整。
图5为复合管轧制过程中4个典型截面出现的
金属流动变化，结合4个典型截面和附近区域，两种
金属的流动方向基本一致。截面1、2、3主要体现在
周向流动，截面4即复合管自由端的位置，金属主要
沿轧制方向流动。
2
2018年第4期6-1外管
6-2内管
图6内外管应力云
图
Stress-Effective （MPa ）
A=0.000
B=116C=232D=348E=464F=579G=695
椒盐噪声H=811
Stress-Effective （MPa ）
A=0.233
B=50.5C=101D=151E=201F=251G=302
H=352
由图6可以看出，外管的最大应力主要集中在与轧制大变形区域，最大应力可达312MPa ，头部及尾部应力稍小，102MPa 左右；内管的最大应力分别
分布在与外管对应的接触变形区，最大应力值为402MPa ，头尾部应力在50.5~101MPa ，局部可达
201MPa 。4结论
1）本文利用DEFORM-3D 建立了皮尔格热轧
45钢与316不锈钢复合钢管轧制的有限元模型，结合生产工艺，确定其模拟参数，边界条件及摩擦接触关系。完整的模拟了从复合管坯到成品复合管的热轧过程。
2）根据模拟仿真的结果，分析了皮尔格热轧复合管坯的过程中：复合管头尾部质量原因；各阶段双层金属管金属流动变化规律；复合管内外管表面等效应力分布规律。
参考文献
[1]
ALCARAZ J L ，GIL S J ，MARTINEZ-ESNAOLA J M.A fracture condition based on the upper bound method for the extrusion of
bimetallic tubes [J].Journal of Materials Processing Technology ，1996，61（3）：265-274.[2]
WRIGHTH ，ODUYEMI T ，EVANS H R.The experimental behaviour of double skin composite elements [J].Journal of Constructional SteelResearch ，1991（19）：91-110.[3]
楚志兵，吕阳阳，黄庆学，等.皮尔格轧机冷轧不锈钢管回弹预测模型的建立与验证[J].四川大学学报（工程科学版），2015，47（2）：165-171.
[4]吴圣华，
张世宏.皮尔格冷轧管工艺的三维热力耦合有限元模拟[C]//MSCSoftware 虚拟产品开发（VPD ）中国用户大会，2010：1-9.
（编辑：苗运平）
Finite Element Simulation and Analysis of Pilger Hot Rolled
Composite Steel Tube Based on DEFORM
He Zonglin
梭织机（Mechanical Engineering Department,Shanxi Engineering Vocational College,Taiyuan
Shanxi 030009）
Abstract:According to the rolling principle and characteristics of pi lger rolling mill,the finite element model of pilger hot-rolled 45steel and 316stainless composite steel tube was established by using DEFORM-3D software.The complete simulation of the hot rolling process from the composite pipe to the finished composite pipe is conducted.According to the simulation results,in the process of pilger hot rolling pipe billet,this paper analyzes the evolution law of double layer metal wall thickness in every stage,the quality of the head and tail,the change rule of metal flow in double layer metal tubes at different stages,and the distribution law of the equivalent stress of the inner and outer tubes,providing guidance basis for practical production and theoretical research.Key words:pilger hot rolling;multiple tube;finite element simulation
何宗霖：基于DEFORM 的皮尔格热轧复合钢管有限元模拟及分析3··
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