等强度弯管塑性成形工艺关键力学问题

Based on the research work on "Plastic Mechanism" and "Deformation Theory" of equal-strength bent tube with changed wall thickness (Funds number 19972040 and 10472058), the difference of impact pressure caused by inner fluid between concave and convex side (△P=Pconvex-Pconcave) and its distribution rules will be explored via experiments and numerical simulation. The corresponding mechanical model will be established. Based on this mechanical model and strength theory, the changing rules of equal-strength wall thickness of bent tube which can reflect changing characteristics of fluid pressure, will be deduced, and the corresponding mathmatical model will also be established. By means of experiments and mechanical inverse-problem solving methods, the geometric contours of curved mandril (mould) with equal-strength bent tube which can accord with the above-mentioned mechanical- mathmatical models will be produced by inverse method, and the vector equation of curved mandril will be established. The quantitative description methods of mechanical boundary condition of equal-strength bent tube hot-pushing shaping processes, and reasonable matching methods and automatic control methods will be explored at the same time.. The research is proposed to improve the "Plastic Mechanism" of equal-strength bent tube with changed wall thickness, make up the defect of quantitative description of key mechanical issues in the process of the applicaition of "Deformation Theory" and provide theoretical and application foundation for the widespread application of the new processes of equal-strength bent tube.

在变壁厚等强度弯管"塑性机理"和"成形理论"研究(基金号19972040和10472058)基础上,通过实验和数值模拟，研究管内流体对弯管凸、凹边管壁冲击压力差(△P=P凸-P凹)及其分布变化规律-建立相应力学模型；据该力学模型和强度理论，推导反映冲击压力变化特点的等强度弯管壁厚变化规律-建立相应数学模型；并通过实验和力学反问题求解方法，反求能够推制出符合上述力学-数学模型等强度弯管的曲锥芯棒(模具)几何形状-建立描述其外型的曲锥面向量方程；研究等强度弯管热推成形过程相应力学边界条件定量描述方法及合理匹配方式和自动控制方法。.进一步完善变壁厚等强度弯管"塑性机理"，弥补其"成形理论"应用中关键力学问题的定量描述缺陷，为等强度弯管新工艺推广应用奠定理论和应用基础。

背景：弯管是工业领域的重要部件。弯管成形时凸边管壁受拉减薄、凹边管壁受压增厚及横截面扁平化问题，是弯管加工业世界性难题。弯管工作时,管内流体对弯管凸边管壁形成较大冲击，在弯管凹边反而形成减压区；从而造成受冲击力大的部位（凸边管壁）薄弱、受冲击力小的部位（凹边管壁）反而厚的不合理现象。高温、高压、高流速管道输送网络中的弯管爆裂问题，大多与弯管工艺的上述缺陷有关，并多伴随爆炸、火灾等恶性后果。. 主要研究内容：针对90°和180°弯管，研究不同流动参数和弯管几何参数变化，流体对弯管凸凹边管壁冲击压力差及分布变化规律—建立相应计算分析力学模型；据该力学模型和强度理论，研究等强度弯管壁厚变化规律—建立相应（数学模型）壁厚设计公式；通过实验和力学反问题解法，反推能够推制出符合上述力学—数学模型等强度弯管的曲锥芯棒（模具）几何形状—建立描述其外型的曲锥面向量方程；通过实验和模拟，建立等强度弯管热推成型边界条件合理匹配方式和定量描述方法。. 重要结果及意义：1.采用无量纲分析法和FLUENT模拟数据库，建立了包括弯管流动参数（入口流速v、出口压强P0、流体密度ρ）和弯管几何参数（内径d、弯曲半径R、弯曲度k=R/d）的弯管三维内压分布计算公式，并通过135种工况FLUENT数值模拟结果比对，验证了该公式的计算精度（最大相对误差小于0.045%）；2.据弯管内压三维计算公式和强度理论，推导出等强度弯管壁厚设计公式，经模拟验证按该公式设计加工弯管，凸、凹边管壁等效应力分布均匀，避免了弯管凸凹边管壁存在明显内压差的缺陷；3.据弯管内压分布计算公式和等强度弯管壁厚设计公式，采用质点运动学方法，建立了可推制等强度弯管的曲锥芯棒（模具）曲锥面向量方程，实现了芯棒制造加工数控化；4.据实验研究和数值模拟方法，提出了弯管质量U、加热温度T 和推制速度V 模糊优化数学模型和加热温度T与推制速度V的优化取值域、并研制了相应光电控制系统，建立了等强度弯管热推成型过程边界条件合理匹配方式和定量描述方法。上述成果为高压、高流速输送管道关键部件弯管设计和制造、管道和弯管安全性评估提供了理论依据；解决了多年来弯管加工制造业的世界性难题。