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厚壁鋼管壓力矯直的實驗目的

實驗目的

本章的主要內容是針對厚壁鋼管的壓力矯直的實驗研究。

在第三章和第四章分別對厚壁鋼管的壓力矯直參數進行了理論分析，并且進行了相關的有限元模擬，給出了計算壓力矯直鋼管行程和壓力矯直厚壁鋼管的中間截面的扁化的表達式。

為了驗證厚壁鋼管的壓力矯直的理論分析及其有限元分析的正確性和準確性，本文進行了相關的實驗研究。

通過理論計算、有限元模擬、實驗數據的比較，并且分析計算精度及誤差產生的原因，這將有助于對建立的理論模型研究的進一步完善。

本文展開壓力矯直厚壁鋼管實驗研究的主要目的有：

1)通過對厚壁鋼管壓力矯直實驗的研究，可以驗證公式推導正確性，驗證有限元模擬仿真結果的精確度。

2)對厚壁鋼管的壓力矯直的理論計算結果和實驗數據進行對比，以及對有限元仿真結果和實驗數據對比，分析誤差，并且查找誤差產生的原因，對厚壁鋼管的壓力矯直理論進行必要的完善，確定有限元仿真的參考價值，為以后仿真模擬計算提供指導，為厚壁鋼管的壓力矯直實踐生產提供指導，增加其計算精度和實用性，以便以后對不同類型的管材的矯直參數進行研究。

3)針對不同規格的厚壁鋼管在不同的條件和情況下進行壓力矯直實驗對比并分析，分析影響矯直的因素。

實驗方法

根據厚壁鋼管壓力矯直的實際情況，可以確定厚壁鋼管壓力矯直過程的實驗方法為：厚壁鋼管由兩個支座支撐，厚壁鋼管的壓點上方設置了壓頭，壓頭由液壓系統以小于2/mm s緩慢施壓。

如圖6-1所示，壓力傳感器安置在壓頭上，并對矯直載荷進行測量，位移傳感器安置在壓點的下方，并對矯直行程進行測量。

壓力矯直的過程包括矯直加載和矯直卸載兩個過程，通過位移傳感器和壓力傳感器進行測量并且記錄，得到實驗數據。為了能在整個長度方向上對撓度進行測量，再在壓點兩側安置2個位移傳感器。

單弧度彎曲厚壁鋼管的壓力矯直實驗主要是對具體的一種規格的鋼管，確定合適的支點距離、壓點位置，并且觀察變形情況，記錄測試的結果，研究理論模型的正確性，驗證文章中的理論結論。

壓力矯直實驗所需采集和測量的數據有：1)支點距的確定；2)初始撓度；3)矯直力的測量；4)矯直行程的測量；5)殘余撓度的測量；6)表面光滑度以及平直度的測量。

厚壁鋼管的壓力矯直實驗研究

實驗臺及實驗方案

由上述的實驗目的和實驗方法，以上海某廠的厚壁鋼管矯直機如圖6-2為實驗平臺，提取現場操作的數據，與建立的厚壁鋼管壓力矯直時的載荷-撓度模型與壓扁模型進行對比。

整個壓力矯直實驗系統的組成部分：液壓系統、檢測控制部分、矯直實驗臺，具體介紹如下：

1)液壓系統：壓力矯直機的加載和卸載過程都是由液壓系統來完的。壓力矯直機是液壓系統驅動方式，其中和機械加載方式相比，液壓系統具有的優點是：加載的載荷大、傳動平穩、啟動快速并且容易控制等。

2)檢測控制部分：壓力傳感器、位移傳感器、信號轉換裝置、及記錄裝置構成了檢測部分，主控計算機是主要控制部分，可以實時顯示并且記錄。

3)壓力矯直實驗臺：在普通壓力機的基礎上進行改裝，改裝為壓力矯直實驗臺，壓力矯直實驗臺主要由壓頭、工作臺、支座、液壓缸及門梁組成，其中支座間的距離是在矯直前需要調整好的，具體參數如表6-1所示。

主要的實驗器材有：壓力矯直機、位移傳感器、壓力傳感器、鋼管。

厚壁鋼管壓力矯直的實驗包括以下內容：

1)載荷和行程控制的矯直研究；

2)壁鋼管扁化的研究。

技術方案

通過壓力矯直機做以下實驗：

1)第一組壓力矯直實驗：所選的鋼管厚徑比為0.2，外徑為100mm，在不同的矯直行程和矯直力下的矯直實驗；

2)第二組壓力矯直實驗：所選的鋼管厚徑比為0.2和0.25，外徑為200mm，在不同的矯直力下的矯直實驗；

運用兩組實驗的數據來驗證理論推導公式和有限元法的正確性。其中實驗所用到的厚壁鋼管的尺寸和材料分別見表6-2和表6-3：

本節闡述厚壁鋼管壓力矯直實驗的研究過程、方法。

對厚壁鋼管在不同載荷和矯直行程的情況下進行矯直實驗，比較厚壁鋼管壓力矯直實驗結果和理論計算結果，并且比較厚壁鋼管壓力矯直實驗結果和有限元仿真結果數據。

壓力矯直厚壁鋼管的實驗研究

厚壁鋼管壓力矯直實驗中采集到的載荷-撓度實驗數據如表6-4和圖6-3所示，并且對數據進行分析計算。

厚壁鋼管壓力矯直實驗中采集到的扁化實驗數據如表6-5、表6-6、圖6-4和圖6-5所示，并且對數據進行分析計算。

根據圖6-3、表6-4可以看出：

1)理論公式計算的數據和實驗數據對比，整體趨勢一致，誤差較小，誤差最大值為2.9%，說明所建立的理論模型具有較高的精度。

2)有限元模擬的數據和實驗數據對比，整體趨勢是一致的，誤差較小，誤差最大值為4%，說明，應用有限元的方法進行分析壓力矯直厚壁鋼管的問題，是可行的。但是有限元對計算機的配置要求，以及需要較長的計算時間。

根據圖6-4、圖6-5、表6-5和表6-6可以看出：

1)理論公式計算的數據和實驗數據對比，整體趨勢一致，誤差最大值為22%，證明所建立的理論模型的正確。

2)有限元模擬的數據和實驗數據對比，誤差較大，誤差最大值為35%，但是整體趨勢是一致的。誤差產生的原因主要是由于在建模時對材料模型的簡化和摩擦系數的選取不精準，若選取更加準確的材料模型和符合實際工況的摩擦系數，將會減少誤差。

厚壁鋼管壓力矯直行程與扁化率計算軟件的開發

厚壁鋼管壓力矯直機行程計算系統

本文使用Visual Basic 6.0(簡稱VB)作為厚壁鋼管的壓力矯直參數設計計算軟件的開發環境，使設計過程便利并且美觀，減輕工程設計人員的勞動強度和工作壓力。Microsoft公司推出的Visual Basic 6.0，是開發應用軟件的重要工具，也是當今非常優秀的可視化程序設計語言。針對壓力矯直工藝計算較復雜，計算量較大，公式繁多等問題，選用MATLAB程序設計中的M文件的編程方式進行編寫。然后通過VB調用MATLAB程序設計中的M文件，進行計算，并將計算結果返回給VB。

厚壁鋼管壓力矯直機行程計算系統的界面如圖6-6。

操作過程為：

1)輸入已知的鋼管參數：厚壁鋼管的外徑D，厚徑比，壓力矯直支點距L，材料的彈性模量E，初始彎曲撓度δ，鋼管的屈服應力sσ。

2)調用MATLAB編寫的程序求解載荷-撓度模型。

3)根據初始彎曲撓度δ和載荷-撓度模型求解矯直行程。

利用厚壁鋼管壓力矯直機行程計算系統可以計算矯直行程，為厚壁鋼管壓力矯直機的開發提供參考。

厚壁鋼管壓力矯直機鋼管扁化率系統

厚壁鋼管壓力矯直機鋼管扁化率計算系統的界面如圖6-7。

1)輸入已知的鋼管參數：厚壁鋼管的外徑D，厚經比，壓力矯直支點距L，材料的彈性模量E，矯直力F，鋼管的屈服應力sσ。

2)調用MATLAB編寫的程序求解扁化率。

利用厚壁鋼管壓力矯直機鋼管扁化率計算系統可以計算鋼管扁化率，為厚壁鋼管壓力矯直機的工藝計算提供參考。

本章首先明確了實驗的目的及方法，介紹了實驗使用的壓力矯直機，對厚壁鋼管的載荷-撓度的模型和截面扁化模型進行了驗證，實驗數據表明，建立的模型精度較高，最后使用編程語言VB編寫了相關軟件，為計算壓力矯直厚壁鋼管的矯直參數提供便利。