[发明专利]一种管材弯曲中性层偏移位置确定方法

说明书

本发明公开了一种管材弯曲中性层偏移位置确定方法，包括下列步骤：静态应力平衡分析；弹性变形分析；塑性变形分析；解析‑数值混合建模求解中性层偏移量。本发明的管材弯曲中性层偏移位置确定方法基于轴向力平衡法，建立混合解析‑数值中性层框架，确定中性层偏移角α，通过建立解析‑数值混合的中性层偏移量求解模型，该模型综合考虑弯管几何参数和复杂材料性能参数，可以快速、准确确中性层偏移位置，并可快速分析中性层偏移规律和机理，为创新发展管材弯曲新工艺提高成形能力奠定理论基础。

技术领域

本发明涉及金属材料塑性成形技术领域，尤其涉及一种管材弯曲中性层偏移位置确定方法。

背景技术

弯管被誉为“动脉血管”，广泛应用于航空、航天、船舶、汽车、能源和化工等工业领域，起着介质传输、导热和结构承力等关键作用。为了满足不同领域的应用需求，弯管的尺寸各异、形状多样，尺寸跨度从直径微纳米管到直径数米的超大型管，弯曲形状包括不同的弯曲半径、弯曲角度和空间走向等。管材塑性弯曲加工，是实现弯管构件的重要成形方式。常见的管材弯曲工艺有压弯、辊弯、推弯、数控绕弯等，然而不论何种采用弯曲方式，不可避免地都会发生弯曲内侧压缩外侧拉伸的不均匀变形，管材的应变中性层也会随着发生偏移。作为管材弯曲最基础的问题，中性层偏移直接表征不均匀变形程度，并和外侧减薄、内侧增厚、破裂、起皱、截面扁化、回弹等弯曲缺陷密切相关，严重影响弯管产品的成形质量和服役性能。

尽管国内外学者对做了很多工作，但是对于普通钢管、铝管中性层偏移问题适用性较好，对于具有特殊性质的钛合金管、镁合金管、高锆合金管等先进管材的中性层偏移问题适用性较差。考虑到中性层作为管材弯曲成形中最基础的问题，直接表征不均匀变形程度并直接关系到管材弯曲多种中成形缺陷的重要性，以及其受几何、材料等等多因素影响的复杂性，发明一种能够有效的确定管材弯曲中性层偏移量的方法，并分析几何参数和材料参数对中性层偏移问题的影响规律与机制，对发展创新工艺提高管材弯曲成形质量和成形极限十分迫切。

发明内容

本发明的目的是提供一种管材弯曲中性层偏移位置确定方法，解决现有技术中的管材弯曲中性层偏移量的确定困难的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明一种管材弯曲中性层偏移位置确定方法，包括下列步骤：

步骤一：静态应力平衡分析

弯管截面中X为几何中轴，在管材弯曲前与中性层重合，Y表示弯曲半径方向，正方向指向弯管的外弧线，R是弯曲半径，ρ是中性层和弯曲中心之间的距离，y是横断面上的X轴与任意纤维层之间的距离，是任意单元到Y轴和横截面上任意点的计算角度，α是中性层的偏移角度，r₀是管材的原始半径，因此，中性层偏移量e可以表示为

e＝r₀sinα (1)

通过对弯管的一个小单元进行分析，可以得到单元的应力状态，在管材弯曲过程中，单元的应力处于静态应力平衡状态，因此，单元的应力状态应分别满足以下微分方程：

X方向：

Y方向：

取sin(dθ/2)≈dθ/2，当趋于0时，有

因此，由式(2)和式(3)可得切向应力σ_θ和周向应力之间的关系为

在管材弯曲过程中，弯管的中性层长度不变，应等于原长度L0

L₀＝ρθ＝(R+r₀sinα)θ (6)

弯管的纤维层的长度l为