无缝钢管轧制工艺及其数值模拟

上篇 钢管轧制成型工艺基本理论

第1章 绪论……1

1.1 无缝钢管生产质量与工艺……1

1.2 无缝钢管基础理论研究概况……4

1.3 我国无缝钢管的发展历程……7

1.4 无缝钢管生产技术的目的和任务……10

第2章 钢管纵轧理论……11

2.1 圆孔型中轧管的分类和变形过程……11

2.2 纵轧几何学……13

2.2.1 变形区的几何关系……13

2.2.2 孔型几何参数……16

2.2.3 变形区的后边界方程式……19

2.3 管子的最少压扁条件……22

2.4 在圆孔型中轧管时的咬入条件……24

2.5 纵轧运动学……28

2.5.1 速度分析……28

2.5.2 无芯棒轧制的速度关系……29

2.5.3 带芯棒轧制的速度关系……32

2.6 在圆孔型中轧管时金属的变形和流动……35

2.6.1 圆孔型中管坯轧制的变形和流动……35

2.6.2 轧制空心坯时金属流动的基本方程式……36

2.7 纵轧力能参数计算……37

2.7.1 无芯棒轧管的力能参数计算……37

2.7.2 带芯棒轧管的力能参数计算……40

第3章 钢管斜轧理论……46

3.1 斜轧的应力与变形……46

3.1.1 孔腔形成理论……47

3.1.2 三角形效应分析……49

3.1.3 斜轧变形……50

3.2 斜轧几何学……59

3.2.1 斜轧变形区的特点……59

3.2.2 斜轧空间坐标变换关系……65

3.2.3 斜轧机轧辊辊形的计算……69

3.2.4 斜轧孔型开度值计算……74

3.3 斜轧运动学……78

3.3.1 轧辊的运动速度……78

3.3.2 轧件的运动速度……79

3.3.3 变形区内金属的滑移……79

3.3.4 大送进角轧制……85

3.4 斜轧机力能参数计算……88

3.4.1 接触面积的计算……89

3.4.2 变形速度及变形程度的确定……91

3.4.3 斜轧单位压力计算……92

3.4.4 顶头上轴向力的确定……97

3.4.5 斜轧受力分析与力矩计算……98

第4章 钢管纵连轧理论……102

4.1 钢管连轧的运动学现象……102

4.1.1 钢管连轧的运动学现象……102

4.1.2 滑移现象……105

4.1.3 张力系数……109

4.2 连轧管运动状态的分析……110

4.2.1 轧件与芯棒的位移关系……110

4.2.2 机架及其确定……112

4.2.3 断续轧制分析……114

4.2.4 单机轧制芯棒运动特性……121

4.3 钢管连轧中的变形与应力……125

4.3.1 连轧管管内应力分析……125

4.3.2 侧壁变形和应力分析……138

第5章 钢管斜连轧理论……142

5.1 三辊斜连轧机工艺开发的理论基础……142

5.1.1 三辊斜轧穿孔机设备特点及钢管变形特点……142

5.1.2 Assel轧管机设备特点及钢管变形特点……143

5.2 三辊连续式穿轧工艺特点……144

5.2.1 设备概述……144

5.2.2 工艺流程及特点……144

5.2.3 主机部分介绍……145

5.3 三辊连续式穿轧工艺力能参数的工程计算方法……147

5.3.1 工程法概述……147

5.3.2 金属变形区的划分……148

5.3.3 计算分析前的几个假设……148

5.3.4 力的计算分析……150

5.4 基于上限法的三辊斜连轧工艺参数计算……153

5.4.1 上限法的概念及应用……153

5.4.2 上限法的基本理论……154

5.5 三辊斜连轧速度场的建立……156

5.5.1 速度场推导过程中的参数及意义……156

5.5.2 速度场建立的前提及建立过程……157

5.6 穿轧过程中变形功率的计算……163

5.6.1 咬入区（Ⅰ）的功率……163

5.6.2 穿孔区（Ⅱ）的功率……164

5.6.3 扩径区（Ⅲ）中的功率……165

5.7 轧制过程中各变形区的功率……167

5.8 轧制过程的总功率……170

5.8.1 总内变形功率dw&……170

5.8.2 总剪切功率Aw&……170

5.8.3 总剪切功率fw&……171

5.9 轧制力和力矩以及顶头轴向负荷计算……172

5.9.1 轧制力的计算……172

5.9.2 轧制力矩以及顶头轴向负荷计算……174

第6章 钢管张力减径理论……178

6.1 张减变形力学基础……178

6.1.1 张减的对数应变……178

6.1.2 径向平衡微分方程及其求解……180

6.1.3 轴向应力的确定……181

6.1.4 形状变化系数……181

6.1.5 应力—应变关系……182

6.1.6 张力减径塑性变形方程……184

6.1.7 张力系数计算……185

6.1.8 应变与张力系数、壁厚系数之间的关系……185

6.1.9 张力减径机架间的塑性变形……185

6.1.10 流动速度关系……188

6.1.11 钢管切头长度计算……189

6.2 张力减径孔型设计相关参数……189

6.2.1 孔型的椭圆度……189

6.2.2 孔型宽展系数……190

6.2.3 总减径率ρΣ和单机架减径率ρi……190

6.2.4 校核系数、覆盖系数与减径率之间的关系……191

6.2.5 椭圆度和覆盖系数之间的关系……191

6.2.6 孔型设计的机架数量确定……192

6.2.7 轧制直径的确定……192

参考文献……195

下篇 钢管轧制过程的数值模拟

第7章 基于塑性有限元方法的斜轧过程模拟……197

7.1 刚塑性有限元……198

7.2 刚塑性斜轧有限元模型……199

7.2.1 刚塑性材料模型……199

7.2.2 泛函的建立及变分原理……203

7.2.3 三维刚塑性有限元刚阵的建立……205

7.2.4 速度场建立……209

7.3 斜轧过程的几何建模……210

7.3.1 斜轧穿孔坐标建立……210

7.3.2 空间几何假设……210

7.3.3 空间几何曲线……211

7.3.4 咬入点与出口点的确定……213

7.3.5 咬入点到轧辊与顶头轴线之距离……215

7.4 斜轧有限元求解若干问题处理……216

7.4.1 网格划分……216

7.4.2 网格修正……217

7.4.3 变形工具与轧件的关系……218

7.4.4 斜轧变形历史的处理……219

7.5 斜轧有限元计算结果……221

7.5.1 应变率的分布情况……222

7.5.2 应变分布情况……222

7.5.3 应力场分布情况……223

7.5.4 速度场质点运动情况……224

7.5.5 坯料穿孔过程轴向的扭转……224

7.5.6 滑移系数……225

第8章 基于无网格法的斜轧过程模拟……227

8.1 无网格法的计算精度……227

8.1.1 基函数的选取……228

8.1.2 节点分布密度……229

8.1.3 支持域的选取……230

8.1.4 积分的阶数……231

8.1.5 无网格法精确性数值算例……232

8.2 斜轧刚塑性无网格伽辽金求解方法……235

8.2.1 模拟参数求解方法……235

8.2.2 等效应变速率和体积应变速率的矩阵表示……236

8.2.3 斜轧伽辽金法模型……238

8.2.4 离散控制方程的建立……241

8.2.5 算法流程……244

8.3 斜轧穿孔过程EFGM关键技术的解决方法……245

8.3.1 边界条件的实施方案……245

8.3.2 初始速度场的建立……247

8.3.3 刚性区的处理……248

8.3.4 收敛的判据……248

8.4 斜轧穿孔EFGM模拟……249

8.4.1 变形分析……250

8.4.2 应变场分布……250

8.4.3 应变率分布……251

8.4.4 应力场分布……253

8.4.5 接触压力分布……254

第9章 三辊斜连轧工艺参数的计算与模拟……255

9.1 斜连轧工艺参数计算程序开发……255

9.1.1 Mathematica在计算过程中的应用……255

9.1.2 力能参数界面的开发……255

9.1.3 编程初始参数设定……256

9.1.4 改变初始参数时的程序算例……257

9.2 有限元模型与边界条件……259

9.2.1 孔型的构成……259

9.2.2 管坯尺寸、材质及其单元划分……260

9.2.3 初始条件和边界条件……260

9.3 模拟结果的分析与讨论……261

9.3.1 轧件变形特征及其应变分布……261

9.3.2 实心坯斜轧穿孔变形过程模拟分析……262

9.3.3 轧管过程变形规律模拟……264

9.4斜连轧过程模拟结果分析……266

9.4.1 斜连轧过程变形分析……266

9.4.2 斜连轧速度分析……267

9.4.3 斜连轧过程轧制力计算……268

第10章 纵连轧工艺过程的有限元模拟……269

10.1 连轧管有限元模型及初始条件……269

10.2 不带张力时连轧铝管有限元分析……271

10.2.1 应力模拟结果……271

10.2.2 应变模拟结果……272

10.2.3 金属流动模拟结果……273

10.2.4 轧制力计算结果分析……275

10.2.5 限动芯棒轴向摩擦力……276

10.2.6 铝管速度变化……276

10.2.7 铝管厚度变化……277

10.3 带张力时连轧铝管有限元分析……279

10.4 不带张力时单机架铝管轧制有限元分析……279

10.4.1 轧制力与轧辊圆周速1ω和芯棒速度mv比值的关系……279

10.4.2 芯棒轴向力与轧辊圆周速1ω和芯棒速度mv比值的关系……280

10.5 带张力时单机架铝管轧制有限元分析……281

10.5.1 张力对轧制力的影响……282

10.5.2 张力对芯棒轴向摩擦力的影响……283

10.5.3 张力对金属延伸率的影响……284

第11章 张力减径工艺的有限元模拟……286

11.1 微张力减径工艺的有限元模拟……286

11.1.1 微张力减径有限元模型建立……286

11.1.2 微张力减径的有限元结果分析……290

11.2 张力减径的有限元模拟……295

11.2.1 模型的的建立……295

11.2.2 模拟结果分析……298

参考文献……304

下篇 钢管轧制过程的数值模拟2100433B

《无缝钢管轧制工艺及其数值模拟》主要讲述了无缝钢管轧制工艺方面的理论及其数值模拟，内容以太原科技大学钢管成形课题组近年的研究工作总结为主，分为上下两篇，共11章，上篇从1到6章，下篇从7到11章。上篇主要针对钢管轧制工艺的理论做了介绍和阐述，第1章是对无缝钢管基础理论研究概况的介绍；第2章和第3章分别介绍了纵轧和斜轧工艺基本理论；第4章和第5章分别介绍了纵连轧和斜连轧工艺理论；第6章介绍了张力减径的工艺理论。下篇主要介绍上述工艺生产过程的控制方法、数学模型和数值模拟，第7章介绍了斜轧穿孔过程的数学模型和塑性有限元模型；第8章介绍了基于无网格伽辽金方法的斜轧穿孔过程模型；第9章介绍了三辊斜连轧工艺参数的计算与斜连轧过程的数值模拟；第10章介绍了纵连轧工艺过程的有限元模拟；第11章介绍了微张力减径和张力减径工艺的有限元模拟及其结果。

《无缝钢管轧制工艺及其数值模拟》可供从事钢管生产、科研工作的工程技术人员、科研人员阅读，也可作为大专院校相关专业本科生、研究生的教学参考书。

本书是“岩石力学与工程研究著作丛书”之一，该书以作者在岩体流变理论、相关实验、数值模拟、反演分析及其工程应用等方面的研究工作为基础，分8个章节，对岩石流变理论与解析方法、黏弹性岩体结构变形解析与稳定理论、岩体流变有限元模拟理论及方法、岩体流变位移的反演理论、岩体流-固耦合流变模型及其数值模拟等方面作了全面详细的介绍。该书可供从事相关工作的人员作为参考用书使用。

本书基于岩体流变基本理论，以作者在岩体流变理论、相关实验、数值模拟、反演分析及其工程应用等方面的研究工作为基础，对不同应力状态下岩石黏弹塑性变形全过程的表述方式、对应的本构关系，建立了包括加速流变过程的岩石三维黏弹塑性分析方程；对岩体岩梁与岩板结构，探讨了黏弹性变形解析、分岔失稳与屈曲稳定理论； 对岩体流变有限元模拟方法进行了系统研究，包括岩体黏弹塑性分析、流变反演理论、流变损伤、断裂、大变形、流-固耦合与流-固-热耦合流变分析和数值模拟等；同时，介绍了相关理论和模拟方法的工程应用，涉及隧道工程、地下油气储库工程等。

本书适用于力学、水利、交通、石油、采矿、岩土工程及相关领域科研人员使用，也可作为高等院校相关专业研究生和本科生的教学参考书。

第1章 绪论

1.1 岩体流变实验与理论研究

1.2 岩体流变数值模拟及工程应用研究

1.3 含缺陷岩体流变力学研究

1.4 岩体流变参数反演研究

1.5 本书的主要内容

第2章 岩石流变理论与解析方法

2.1 岩石流变模型

2.1.1 基本模型及流变特性

2.1.2 模型选取原则

2.1.3 模型参数辨识

2.2 三维本构关系与解析方法

2.2.1 流变微分型本构关系的一维通式

2.2.2 三维本构关系

2.2.3 象空间中的黏弹性参数变换式

2.2.4 黏弹性问题的解析求解方法

2.2.5 黏弹性问题求解示例

2.3 现场流变荷载实验解析

2.3.1 黏弹性一般解

2.3.2 不同流变模型下的变形分析

. 2.3.3 黏弹性参数与模型识别实例

2.4 三轴蠕变实验与解析解

2.4.1 三轴蠕变实验

2.4.2 三轴蠕变实验解析与参数识别

2.4.3 花岗岩三轴蠕变实验结果分析

2.5 岩石蠕变变形全过程

2.5.1 岩石蠕变变形全过程分析

2.5.2 岩石蠕变全过程本构方程

2.5.3 岩石蠕变全过程本构方程的应用

第3章 黏弹性岩体结构变形解析与稳定理论

3.1 黏弹性岩板弯曲理论

3.1.1 单边自由固支岩板的黏弹性解析

3.1.2 复杂边界岩板的黏弹性分析

3.2 黏弹性岩板稳定性分析

3.2.1 岩层黏弹性分析的薄板力学模型

3.2.2 线黏弹性岩板的稳定平衡方程

3.2.3 岩板的临界载荷

3.3 黏弹性岩梁变形分析

3.3.1 黏弹性地基仁岩梁的力学模型

3.3.2 黏弹性地基上岩梁力学行为分析实例

3.4 黏弹性岩梁屈曲稳定分析

3.4.1 直立顺层边坡蠕变屈曲的微分方程

3.4.2 直立顺层边坡压屈的时间相关性分析

3.4.3 直立边坡屈曲载荷与极限坡高分析

3.5 层状岩体的变形与分叉

3.5.1 岩层平衡路径分支与分叉点

3.5.2 岩梁在分叉点的稳定性及后屈曲性态

3.5.3 岩层失稳灾变判据及实例

3.5.4 考虑不同拉压特性的边坡岩层屈曲变形

3.5.5 层状边坡叠梁结构屈曲性态分析

3.6 黏弹性岩板动力分析

3.6.1 黏弹性薄板振动微分方程

3.6.2 不同黏弹性模型岩板振动分析比较

第4章 岩体流变有限元模拟理论及方法

4.1 黏弹塑性有限元基本方程

1.1.1 有限单元法基本方程

1.1.2 黏弹塑性有限单元法基本方程

4.2 岩体黏弹塑性损伤有限元分析

4.2.1 岩体黏弹塑性损伤本构模型与损伤演化方程

4.2.2 岩体黏弹塑性损伤有限元分析方程

1.2.3 有限元分析程序设计

1.2.4 黏弹塑性损伤分析实例

4.3 黏弹塑性问题大变形分析

1.3.1 岩体黏弹塑性大变形仿真模拟

4.3.2 黏弹塑性损伤大变形有限元分析及其实施过程

4.4 岩石断裂过程的有限元模拟

1.4.1 基本方程

1.4.2 岩石断裂过程有限元模拟的应用

4.5 岩体流变加速变形与稳定性

1.5.1 岩体流变加速变形系统稳定性问题

1.5.2 单元惯性力矩阵的积分

1.5.3 流变加速变形分析实例

第5章 岩体流变位移的反演理论

5.1 反演理论概述

5.2 反演分析的基本理论

5.2.1 初始地应力与等效节点力

5.2.2 线弹性位移反演方程

5.3 黏弹性反分析的基本方程

5.3.1 黏弹性问题的简化

5.3.2 黏弹性本构关系

5.3.3 黏弹性有限元位移反分析的基本方程

5.4 隧道围岩流变参数反演方程

5.4.1 消除部分位移丢失的修正方程

5.4.2 考虑空间效应的修正方程

5.5 隧道围岩黏弹性参数的反演方法

5.5.1 参数回归反演法

5.5.2 参数优化反演法

5.6 直接反分析法

5.6.1 优化反分析法

5.6.2 实验设计反分析法

5.7 量测支护位移反分析

5.7.1 量测支护位移的线弹性增量反分析

5.7.2 支护条件下黏弹性位移反分析

5.7.3 支架荷载反分析

第6章 岩体流-固耦合流变模型及其数值模拟

6.1 概述

6.2 流-固耦合流变分析的平衡方程

6.2.1 平衡方程的基本格式

6.2.2 平衡方程的空间离散

6.2.3 平衡方程的时间离散

6.3 连续性方程

6.3.1 连续性方程的基本格式

6.3.2 连续性方程的空间离散

6.3.3 连续性方程的时间离散

6.4 总体控制方程及应用

6.4.1 总体控制方程

6.4.2 流-固耦合流变损伤分析总体方程

6.4.3 流-固耦合流变分析示例

第7章 岩体流-固-热耦合流变模型及其数值模拟

7.1 概述

7.2 流-固-热耦合分析平衡方程

7.2.1 本构方程

7.2.2 平衡方程的空间离散

7.2.3 平衡方程的时间离散

7.3 连续性方程

7.3.1 连续性方程的基本格式

7.3.2 连续性方程的空间离散

7.3.3 连续性方程的时间离散

7.4 能量守恒方程

7.4.1 物体导热的傅里叶定律

7.4.2 岩体能量守恒方程

7.4.3 能量方程的有限元格式

7.5 总体控制方程及有限元实施分析

7.5.1 流-固-热耦合流变分析总体方程

7.5.2 流-固-热耦合流变损伤分析总体方程

7.5.3 理论模型在储存lng岩洞工程中的应用

第8章 岩体流变数值模拟工程应用

8.1 施工建造过程的模拟

8.1.1 开挖模拟方法

8.1.2 喷射混凝土和衬砌支护模拟

8.1.3 锚杆支护的模拟

8.1.4 增加荷载的模拟

8.2 岩体结构特征及非线性问题的模拟

8.3 岩体流变有限元分析步骤

8.4 隧道围岩流变有限元分析

8.4.1 计算模型与计算参数

8.4.2 计算结果分析

8.5 地下储油岩洞流变有限元分析

8.5.1 计算分析模型及参数

8.5.2 流变数值模拟结果分析

主要参考文献

附录 主要参数说明 2100433B