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【其他】瞄准弯管加工中的基础研究
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瞄准弯管加工中的基础研究 -------------------------------------------------------------------------------- 作者:张双虎 发表时间:2009-08-17 摘自:科学时报 弯管是工业领域应用广泛的重要零部件。长期以来，弯管加工成型时凸边管壁受拉减薄或开裂、凹边管壁受压增厚或起皱，以及管道截面扁平型变问题，是困扰加工业的世界性难题。在多项国家自然科学基金的持续支持下，山东建筑工程学院副校长鹿晓阳研究小组经过20多年探索，对弯管成型理论、工艺参数设计和工装设备应用等问题进行了系统研究，从根本上改变了我国弯管加工技术缺乏理论指导的问题。该系列研究成果应用于工业生产后，取得了良好的社会经济效益。 从基础研究着手解决问题 弯管处是管道的关键部位。工业生产中很多管道输送网络都要求能承受高温、高压，当管道内的流体转弯时，会对弯管凸边型成较大冲击，在弯管凹边一侧反而型成减压区。“传统弯管加工工艺会造成凸边管壁受拉减薄、凹边管壁受压增厚，从而出现弯管受力大的地方薄弱、受力小的部位反而变厚的不合理现象。这一工艺缺陷是弯管爆裂问题的重要原因之一，也是引发爆炸、火灾等恶性后果的隐患。”鹿晓阳说。 1984年，鹿晓阳开始与吉林化建公司合作，着手研究等壁厚弯管新工艺问题。但我国工业加工领域缺少基础技术资料、缺少基本理论支持和基础数据的情况让他的研究举步维艰。1987年，鹿晓阳到山东建筑工程学院任教，意识到弯管加工工艺中理论研究的重要性，他开始在工程弹塑性理论及优化设计、计算结构力学及计算机辅助设计和材料塑性加工新工艺及相关力学问题方面展开研究，并很快成为工程力学、结构工程和材料科学与加工工程三个硕士点的学科带头人。 不久，在山东省重点自然科学基金项目和国家自然科学基金等资助下，鹿晓阳开始了感应加热推制等壁厚弯管新工艺的研究。该课题从弯管加工工艺的基础理论研究开始，对实验研究、数值模拟、理论分析到工程应用等一系列问题进行了探索。2001年，他主持的“多环中频感应加热推制等壁厚弯管新工艺”获教育部中国高校技术发明奖一等奖；2003年，其研究成果“等壁厚弯管塑性成型理论及工艺工装设备”获国家科技进步奖二等奖。这时，该系列研究已历时十几年，课题组成员也换了四批，最艰难时只有鹿晓阳一人在坚持工作。 为弯管加工提供理论指导 “该研究以建立等壁厚弯管成型理论为基础，给出以便于应用的具有理论依据的工艺参数设计新方法为目的，并在此基础上研制相应工艺、工装设备及工艺参数CAD系统。实现全部工艺设计微机化、主要工艺参数控制自动化，从根本上改变了弯管加工技术缺乏理论指导的生产现状。”鹿晓阳说。 天道酬勤。鹿晓阳主持的“等壁厚弯管塑性成型理论及工艺工装设备”研究阐明了等壁厚弯管成型过程受力变型特点、力学原理及分析求解方法；阐明等壁厚弯管成型时金属流动规律和塑性机理，揭示了该工艺区别于其他弯管工艺的本质特征。课题组建立了热推弯管成型过程材料本构关系和描述弯管成型时应力、应变场的理论模型，并进行了实验验证。提出了弯曲变型与扩径变型应保持的严格比例关系，即弯曲率与扩径率之间的函数关系。给出了变曲率牛角芯棒轴线极坐标方程，为牛角芯棒外型设计奠定了基础。 该研究中，课题组还提出了一种新型牛角芯棒设计方法，提出了加热温度与推制速度模糊优化设计方法。研究人员据弯管塑性变型机理，采用质点运动学方法，建立了描述牛角芯棒外型的曲锥面向量方程，提出了一种变曲率牛角芯棒设计方法。并据弯管成型过程金属流动规律，建立了精确的管坯尺寸计算公式。实验表明，该公式明显优于《机械工程手册》给出的经验公式。 “采用该方法设计管坯可节约大量管材。与原技术相比，不考虑节省的电力、人力和提高的设计、生产效率，仅节省管材一项，每生产一吨弯管就可节约管材275公斤，节省率为27.5%。”鹿晓阳说，“该课题还研制了相应的工艺、工装设备及工艺参数CAD系统，实现了全部工艺设计微机化，为研制工艺参数的自动控制系统奠定了基础。” 弯管是工业各领域广泛应用的重要零部件。等壁厚弯管在石油、化工、航海、航空和核工业领域具有重要用途，在高温、高压和酸碱腐蚀环境中具有特殊意义。等壁厚弯管塑性成型理论及工艺工装设备相关研究成果被企业采用后，所生产的弯管大量应用于国家重点建设项目万吨乙烯工程、万吨高碳醇工程、万吨合成氨工程和多家石化企业。经检验，弯管质量超过国外同类产品，不仅取代了进口，而且远销日本、美国和东南亚等地，产生了显著的经济和社会效益。 将研究推向深入 2005年，在国家自然科学基金等项目的资助下，变壁厚等强度弯管塑性成型理论与实验研究启动。同年，鹿晓阳设计的牛角芯棒热推弯管新工艺及工艺参数计算机辅助设计系统获山东省科学技术进步奖二等奖。 牛角芯棒热推弯管工艺是现有各种弯管工艺中最为经济有效的一种，它采用中频感应加热，在牛角芯棒上用连续推制成型的方法加工弯管，避免了传统弯管工艺成型时弯管凸边管壁受拉减薄，凹边管壁受压增厚而造成的弯管壁厚不均匀现象。“但当时本工艺各种工艺参数的确定多年一直停留在实验经验水平阶段。生产过程缺乏理论指导。成型理论研究基本属于空白。”鹿晓阳说。 据介绍，该研究分析了牛角芯棒热推管管成型过程瞬时应力，应变状态及其演化过程，阐明了弯管成型时的受力变型特点，揭示了弯管型成过程所遵循的力学原理及其分析求解方法，为牛角芯棒热推弯管成型理论研究了奠定基础。 科学问题从实践中来，科学研究要解决实际问题。今年年初，鹿晓阳申请的国家自然科学基金项目——“变壁厚弯管工艺参数设计理论与方法研究”又获得了国家自然科学基金的支持。鹿晓阳和他带领的研究团队又开始着手解决新的弯管加工生产课题。 |
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