33Mn2V油井管张力减径过程的三维热力耦合有限元模拟

D0I:10.13374/j.issn1001053x.2004.05.020 第26卷第5期 北京科技大学学报 Vol.26 No.5 2004年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2004 33Mn2V油井管张力减径过程的 三维热力耦合有限元模拟 王辅忠2)刘国权》张勇钢引 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)渤海大学物理系，锦州121003 3)无锡西姆莱斯钢管有限公司，无锡214026 摘要利用MARC/AutoForge3.1元件，使用三维弹塑性热力耦合有限元方法模拟采用新型 油井管用钢33M2V热轧制管的双道次张力减径过程，并直观地显示了三维管件材料内部和 表面不同方位的金属流动、应力、应变和温度演化情况.模拟结果表明：不论是工件表面还是 内部，在张力减径过程中金属流动、应变、应力和温度分布都是不均匀的：分析成品管显微组 织时应当考虑这些因素， 关键词无缝钢管：热轧：张力减径：有限元模拟：热力耦合仿真 分类号TG163 随着有限元方法(FEM)的不断改进和计算 生产：实验用样是取自无锡西姆莱斯钢管公司提 机技术的发展，在研究金属材料热轧、锻造等过 供的33Mn2V钢连铸连轧管坯上切取其相同部 程时，数值模拟技术日益成为强有力的工具. 位，加工成若干个尺寸为中8mm×15mm的试样. 生产无缝钢管的张力减径过程是一个重要而复 根据实际生产中的各种工艺参数，在热/力模拟 杂的工序，它不仅受材料的性能、变形温度、轧制 试验仪上进行热镦锻实验，将得到的流变应力曲 速度、变形量、接触摩擦条件和减径率等的影响， 线按MARC/AutoForge.3.1软件的要求格式代入计 还是一个三维热力耦合的非等温过程，研究该过 算机中以备调用.所得流变应力曲线如图〡所 程必须考虑工件和轧辊之间的热传导、工件和周 示.不同温度下的热物理参数，如热导率、比热 围环境之间的热辐射和热对流，以及由于金属变 容、热膨胀系数等，可直接从软件窗口中输入.不 形和摩擦产生的热量等一系列因素，这样复杂的 同温度下的物理参数可通过表1及外推法得到 过程要想找到准确的解析解是非常困难的，在本 得到刀 文中采用三维弹塑性热力耦合有限元方法对其 250 750℃ 进行模拟，以了解毛管在双道次张力减径过程中 200 800℃ 内部发生的一系列变化， 150 850℃ 1 实验材料 100 1100℃ 试样的化学成分（质量分数）为：C,032%;Mn, 50 1.70%;Si,0.29%;S,0.006%,P,0.013%;VN,Ti等适 1180℃ 0 量.由于MARC/AutoForge3..1软件的数据库中没 有33Mn2V钢的流变应力曲线，必须通过实验得 0.2 0.40.6 0.8 1.0 真应变 到.实验用钢33Mn2V由江阴兴澄钢铁有限公司 图1不同温度下的流变应力曲线.应变速度为0.02s 收稿日期2003-11-20王辅忠男，43岁，教授，博士 Fig.1 Flow stress at a strain rate of 0.02/s at different tem- *国家自然科学基金资助项目No.50271009:50334010) peratures

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 油井管张 力减径过程 的 三维热力藕合有限元模拟 王 辅 忠 ‘， 刘 国权 ” 北 京科技大 学材料 科学 与工 程 学 院 ， 北 京 无锡 西 姆 莱斯钢管有 限 公 司 张 勇钢 ” 渤 海大 学物 理 系 ， 锦 州 ， 无锡 摘 要 利用 元件 ， 使用 三 维 弹塑 性热力祸合 有 限元方法 模拟 采 用 新型 油 井 管用钢 热 轧制管 的双 道 次张 力减 径过程 ， 并直 观 地显 示 了三 维管件材 料 内部和 表面不 同方 位 的金 属 流 动 、 应 力 、 应 变和 温度 演 化情 况 模拟 结果 表 明 不 论 是 工 件 表 面 还 是 内部 ， 在张 力减 径过 程 中金 属 流 动 、 应 变 、 应 力和 温度 分布 都 是 不 均 匀 的 分 析成 品管 显 微 组 织 时应 当 考虑 这 些 因 素 关键 词 无 缝钢 管 热 轧 张 力减 径 有 限元 模拟 热 力祸 合 仿真 分 类号 ， 以︸叹︸ 八 只侧峪﹄目 随着 有 限元 方法 的不 断 改进 和 计 算 机 技 术 的发 展 ， 在研 究金 属 材料 热 轧 、 锻 造 等 过 程 时 ， 数 值 模拟 技 术 日益 成 为 强有 力 的工 具 ‘喇 生 产 无 缝 钢 管 的张 力 减 径 过 程 是 一 个 重 要 而 复 杂 的工 序 ， 它 不 仅 受材料 的性 能 、 变 形温 度 、 轧制 速度 、 变形 量 、 接触摩擦 条件和减径率等 的影 响 ， 还 是 一 个三 维 热 力祸合 的非等温 过程 研 究 该过 程 必 须考 虑 工 件和 轧辊 之 间 的热传 导 、 工件和 周 围环 境之 间 的热辐 射 和 热对 流 ， 以及 由于金 属变 形 和 摩擦产 生 的热 量 等 一 系列 因素 这 样 复 杂 的 过程 要想 找 到准 确 的解 析 解 是 非常 困难 的 ， 在本 文 中采 用 三 维 弹 塑 性 热 力 祸 合 有 限元 方 法 对 其 进 行模 拟 ， 以了解 毛 管在 双 道 次 张 力减 径 过 程 中 内部 发 生 的一 系 列 变化 生产 实验用 样是取 自无 锡 西姆 莱斯 钢 管公 司提 供 的 钢 连 铸 连 轧 管 坯 上 切 取 其 相 同部 位 ， 加 工 成 若 干 个 尺 寸 为邮 巧 们。 的试 样 根 据 实 际 生 产 中 的各 种 工 艺参 数 ， 在 热 力模 拟 试 验 仪上 进 行热 墩锻 实验 ， 将 得 到 的流 变应 力 曲 线按 软件 的要求格式代 入 计 算机 中 以备 调 用 所 得 流 变 应 力 曲线 如 图 所 示 不 同温 度 下 的 热物理 参 数 ， 如热 导率 、 比 热 容 、 热 膨胀 系数等 ， 可直 接从 软件 窗 口 中输入 不 同温 度 下 的物 理 参 数 可 通 过 表 及 外 推 法 得 到 得 到， ” 一 一 一 ℃ ℃ 实验 材 料 试样 的化 学成 分 质 量 分数 为 ，犯 ， ， ， 只 ， ， 等适 量 由于 人 软件 的数 据 库 中没 有 钢 的流 变应 力 曲线 ， 必 须 通 过 实验 得 到 实验 用 钢 由江 阴兴澄 钢 铁 有 限 公 司 收稿 日期 一 一 王 辅忠 男 ， 岁 ， 教 授 ， 博士 国家 自然科学基 金 资助项 目 ℃ 一，一 一 一一一一一一， 一一 一 一叱一 ， 一 一 ℃ 真应 变 图 不 同 温 度下 的流 变应 力 曲线 应 变速度 为 妞 · DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2004．05．020

Vol.26 No.5 王辅忠等：33Mn2V油井管张力减径过程的三维热力耦合有限元模拟 539· 表133Mn2V钢热物性参数的参考数据 Table 1 Reference data of thermo-physical properties for steel 33Mn2V 温度，T/℃弹性模量，E/GMPa泊松比热导率21(W·mK-) 比热容/0kgK) 线膨胀系数，a/10K 20 206 0.300 100 203 0.300 35.0 469 12.2 200 197 0.305 35.8 502 13.9 300 190 0.310 33.2 527 13.5 400 183 0.310 31.3 543 13.8 500 174 0.310 29.3 548 14.0 注：取密度p=7.56g·cm 2有限元模型 自由表面与周围环境之间的等效传热系数取为 0.17N/(smm·℃)，工件与轧辊之间接触传热系数 图2给出无锡西姆莱斯钢管有限公司的三辊 取为23N/(smm·℃)：工件的初始温度设为 ASSEL张力减径机一个轧辊的形状尺寸参数， 860℃，环境温度和轧辊温度分别取20℃和 D,=D-(每一机架孔型直径)， 200℃；工件变形时变形功转换成热的转换系数 在生产60mm×5mm油管时，张减径机上的 取为09；工件与轧辊接触表面摩擦产生热量平 变形量基本是固定的，单架减径率为3.4%左右， 均分配给工件与轧辊. 8个机架.取变形温度为800-860℃，应变速率为 0.02/s. 第1号轧辊 m 第2号轧辊 甲轧制方向 一 90 mm 对称面 图2轧辊说明图 图3三维双道次张力减径过程的弹性塑性有限元模型 Fig.2 Schematic diagram of a mill roller Fig.3 Three-dimensional elasto-plastic FEM model for two-pass processing tube tension-reducing 图3是根据图2参数设计的三维双道次张力 减径过程的弹塑性有限元模型.Z方向两个轧辊 3模拟结果与讨论 之间的距离是260mm.第1号轧辊的最大轧制速 度是0.70m/s,第2号轧辊的最大轧制速度是0.73 31工件表面上的金属流动和等效应变 ms.为了缩短计算时间，根据对称性，取工件的 图4是新型油井管用钢33Mn2V在双道次张 1/6为研究对象.工件被认为是弹塑体，采用六面 力减径过程中工件表面上的金属流动和等效应 体八节点单元，共划分了2280个单元和3239个 变的演化情况.在第40增量步时，第1号轧辊已 节点：分析方法采用更新Lagrange法描述的热力 经咬入工件，但仍处于非稳定轧制状态：增量步 耦合大变形弹塑性有限元法：材料的屈服准则采 为150步时，第1号轧辊已经进入稳定轧制状态， 用Von Mises准则：模拟过程的每一步都对应着 增量步为450步时，第1号轧辊仍处于稳定轧制 工件变形时相应的该点的性质.轧辊为传热的刚 状态，同时期第2号轧辊开始咬入工件并处于非 性体，以利于对摩擦问题处理和提高接触方程迭 稳定轧制状态.在增量步为480步时，第1号轧辊 代的收敛性.对称面上所有节点在垂直于对称面 接近工件尾部，处于非稳定轧制状态，而第2号 方向上的位移为零：工件与轧辊接触面间遵循剪 轧辊则处于稳定轧制状态.在增量步650步时， 切摩擦定律，它们之间的摩擦因数取07：工件的 第1号轧辊已脱离工件，而第2号轧辊仍然处于

‘ 王 辅忠 等 油 井 管张 力减径 过 程 的三维热 力祸 合 有 限 元 模 拟 。 ， 表 钢 热物 性参数 的参 考数据 勿 温 度 ， ℃ 弹 性 模量 刀 泊 松 比 热 导 率分 · 一 ， · 一 今 比热 容 · 一 ‘ · 一 今 线膨 胀 系数 ， ， 一‘ 一 ‘ 一 一 一 注 取 密 度 二 ’ 一 ， 有 限 元 模 型 图 给 出无锡 西姆 莱斯 钢 管有 限公 司 的三 辊 张 力 减 径 机 一 个 轧 辊 的形 状 尺 寸 参 数 ，二 一 每 一 机 架 孔 型 直 径 在 生产 中 巧 油 管 时 ， 张 减 径 机 上 的 变 形 量 基 本 是 固 定 的 ， 单 架 减 径 率 为 左 右 ， 个 机 架 取 变 形温度 为 ℃ ， 应 变 速 率 为 自由表 面 与 周 围环 境 之 间 的等 效传 热 系 数 取 为 · · ℃ ， 工 件 与 轧 辊之 间接 触 传 热 系数 取 为 · ℃ 工 件 的 初 始 温 度 设 为 ℃ ， 环 境 温 度 和 轧 辊 温 度 分 别 取 ℃ 和 ℃ 工 件 变 形 时变 形 功 转 换成 热 的转 换 系 数 取 为 工 件 与 轧 辊 接 触 表 面 摩 擦 产 生 热 量 平 均 分 配 给 工 件与 轧 辊‘ 一 丫 少 “ ‘ 乙 图 轧 辊 说 明 图 抽 图 是根 据 图 参 数 设计 的三 维 双 道 次 张 力 减 径 过 程 的弹 塑 性 有 限 元 模 型 方 向两 个 轧 辊 之 间 的距 离 是 们 第 号 轧辊 的最 大 轧 制速 度 是 耐 ， 第 号 轧 辊 的最 大轧 制速 度 是 耐 为 了缩 短计 算 时 间 ， 根 据 对 称 性 ， 取 工 件 的 为研 究对 象 工件 被 认 为 是 弹 塑 体 ， 采用 六 面 体 八节 点单 元 ， 共 划 分 了 个 单 元 和 个 节 点 分 析 方 法 采用 更 新 法 描 述 的热 力 祸 合 大变 形 弹 塑性 有 限元 法 材 料 的屈 服 准 则 采 用 、 准 则 模 拟 过 程 的每 一 步 都对 应 着 工 件变 形 时相 应 的该 点 的性 质 轧辊 为传 热 的刚 性 体 ， 以利 于 对摩 擦 问题 处 理 和 提 高接 触 方程 迭 代 的收敛性 对 称 面 上所 有节 点在 垂直 于对称 面 方 向上 的位 移 为零 工 件 与 轧 辊 接触 面 间遵循 剪 切 摩 擦 定律 ， 它 们 之 间 的摩 擦 因数取 工 件 的 图 三维双 道 次 张 力减径 过 程 的 弹 性 塑 性 有限 元模型 一 肠 · 模 拟 结 果 与讨 论 工 件 表 面 上 的金 属 流 动 和 等 效 应 变 图 是 新 型 油井 管用 钢 在 双 道 次 张 力 减 径 过 程 中 工 件 表 面 上 的金 属 流 动 和 等 效 应 变 的演 化 情 况 在 第 增 量 步 时 ， 第 号 轧辊 己 经 咬 入 工件 ， 但 仍 处 于 非 稳定轧 制 状 态 增 量 步 为 步 时 ， 第 号 轧辊 己 经进 入 稳 定轧制状态 增 量 步 为 步 时 ， 第 号 轧辊 仍 处 于 稳 定轧制 状 态 ， 同时 期第 号 轧 辊 开始 咬 入 工 件并 处 于 非 稳 定 轧 制 状 态 在 增 量 步 为 步 时 ， 第 号 轧辊 接近 工 件 尾 部 ， 处 于 非 稳 定 轧 制状 态 ， 而 第 号 轧 辊 则 处 于稳 定轧 制状 态 在 增 量 步 步 时 ， 第 号 轧 辊 已 脱 离 工 件 ， 而 第 号 轧辊 仍 然 处 于

·540· 北京科技大学学报 2004年第5期 (a) (b) (c) (d) (e) 1179-1 1368e-1 5429e-1 5856e-1 65414-1 1060e.1 1231e- 4886e.1 5266e1 9418e- 1094e1 4342e-1 4677e-1 5904e-1 5267e-1 8233e- 9561e2 3799e-1 4087e+1 460e- 5863e-2 6812e-2 3256e-1 2908e-1 3356e-1 4679t-2 5483e. 2269e.1 2319e.1 2179e-1 3494e-2 4064e2 1626e-1 1729-1 2082.1 1124e.2 1316e-2 5392e-2 5504e2 14450-1 图4双道次张力减径过程中不问增量步的工件表面金属流动及总等效应变演变情况.初始温度860℃，单道次减 径率为3.4%，增量步数：(a)40,b)150,(c450,(d480,(e)650 Fig.4 Metal flow and equivalent strain evolution on work-piece surface during a two-pass tube tension-reducing process. Initial deformation temperature:860C;each pass reduction=3.4%;increment step numbers:(a)40,(b)150,(c)450,(d) 480,(e)650 稳定轧制状态，整个过程，它的最大等效应变是 在第1号轧辊已经结束轧制，第2号轧辊处于稳 (a) (b) 定轧制的第650增量步，YZ面附近，约为0.65：最 小等效应变是在第40增量步，第1号轧辊已经咬 9375+2 18%+3 0246+ 0e◆ 入工件，约为0.07. 0.095+ 100+3 32工件表面上的温度演化 894中2 9755++2 B859+2 9566+2 图5是工件表面上的温度演化情况.在第1 8832++2 934B:+2 8731e+2 9036+2 号轧辊处于稳态轧制时，150增量步下可看到表 8473t+2 88134+2 面最高温度为925℃.由于经过两道次塑性变形 功和摩擦产生的热量使得工件温度急剧升高.在 第2号轧辊处于稳态轧制时，650增量步下表面 最高温度已达到了1056℃. 图5双道次张力减径过程中不同增量步的工件表面 33典型横截面上的等效应变、等效应力和温度 温度分布情况.变形起始温度为860℃，单道次减径率 分布 为3.4%，增量步数：(a)150,(b)650 Fig.5 Temperature evolution on work piece surface dur- 以第150增量步为例来说明典型横截面上的 ing a two-pass tube tension-reducing process.Initial de- 等效应变、等效应力和温度分布情况.图6给出 formation temperature:860C;each pass reduction= 的是与已处于稳定轧制的第1号轧辊辊轴方向 3.4%;increment step numbers:(a)150,(b )650 (a) (b) (c) 1231. 1094e. 9146+2 056e. 430e-2 4060e4】 13160 2129e+1 图6第150增量步时与第1号轧辊辊轴方向平行的工件横戴面上等效应变、等效应力和温度分布·起始温度860℃， 单道次减径率为3.4%.(a)等效应变分布；(b)等效应力分布；（©）温度分布 Fig.6 Distrbutions of equivalent strain(a),eqivalent stress(b)and temperature(c)at step 150 on the cross section of the work- piece parallel to the axis of No.1 roller.Initial deformation temperature:860C;each pass reduction=3.4%

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 图 双 道 次 张 力减径过 程 中不 同增 量 步 的 工 件表 面金 属 流 动 及 总 等 效 应 变演 变情 况 初 始 温 度 ℃ ，单 道 次 减 径 率 为 ， 增 量步数 ， 伪 ， ， ， 啥 · 】 一 一 血 口 ℃ 代 ， ， ， ， 稳 定 轧 制状 态 整个 过 程 ， 它 的最 大 等 效 应变 是 在 第 号轧 辊 已 经 结束 轧制 ， 第 号 轧 辊 处 于 稳 定轧制 的第 增 量 步 ， 面 附近 ， 约 为 最 小等 效应 变 是 在 第 增 量 步 ， 第 号轧 辊 已 经 咬 入 工 件 ， 约 为 工 件 表面 上 的温 度 演 化 图 是 工件 表 面 上 的温 度 演化情 况 在 第 号轧 辊 处 于稳 态 轧 制 时 ， 增 量 步下 可 看 到表 面 最 高温 度 为 ℃ 由于 经 过两 道 次 塑 性 变 形 功和摩擦 产 生 的热 量 使得 工件温度 急剧 升 高 在 第 号 轧 辊 处 于 稳 态 轧 制 时 ， 增 量 步下 表 面 最 高温 度 已 达 到 了 ℃ 典型横截面 上 的等效 应变 、 等效 应 力和 温 度 分 布 以第 增 量 步 为例 来说 明典 型横截 面 上 的 等 效应 变 、 等 效应 力和 温 度分 布情 况 图 给 出 的 是 与 已 处 于 稳 定 轧 制 的第 号 轧 辊 辊 轴 方 向 图 双 道次 张 力减径 过 程 中不 同 增 量 步 的工 件表 面 温 度 分 布情况 变形 起 始 温 度为 ℃ ，单道 次 减径 率 为 ， 增 量 步数 ， · 址 一 · 认 加 ℃ · ， 探灌亲 鉴言‘ 臼百面口曰 东 飞 糕乏 傲策粼 出壳条软嚷条协盛 全污弓燕冲 ‘ 哆随 叹招姿 拱 绘澎书 部 分 嵌 中卜 介 肠 决食夔花沂舌 目 ‘ 曰‘ ‘ 田 男 目 互匡刁巨 ， 勺 季吕 ，万 午 匀肠 荆王 书门刀 寸 ，丁 口 日‘ 寸 书月 侧兀四 ‘ 月乎 煞笼 拦 发 、 ，守 熟 户以 干“ 目厄 声五 刀 印 · 正至 笋口 血 声反 ” ” 七 ， 单道次 减 径 率为 等效应变分 布 伪 等效应 力分 布 温度 分 布 皿 ， 血 · 口 ℃ ·

Vol.26 No.5 王辅忠等：33M2V油井管张力减径过程的三维热力耦合有限元模拟 .541 平行的工件横断面上的等效应变、等效应力和温 参考文献 度分布.可以看到，工件横截面上的等效应变、等 1 Jang Y S,Ko DC,Kim B M.Application of the finite el- 效应力和温度分布是相当不均匀的，其相应的分 ement method to predict microstructure evolution in the 布范围分别是0.013-0.123,21.3-134.5MPa,847- hot forging of steel [J].J Mater Process Technol,2000, 899℃，其中工件近内外表面处的等效应变量可 101:85 达心部的近10倍，这种不均匀分布是由于多种 2 Aymone J L F,Bittencourt E,Creus G J.Simulation of 3D 因素相互作用造成的.一方面由于应变和应变速 metal-forming using an arbitrary Lagrangian-Eulerian fi- nite element method [J].J Mater Process Technol,2001, 率在横截面上分布不均匀导致了应力和塑性变 110:218 形功转化的热量在横截面上分布的不均匀，进而 3 Park J J,Oh S I.Application of three dimensional FEM 使温度分布也是不均匀的：另一方面应力和温度 analysis to shape rolling processes [J].J Eng Ind,Trans 分布的不均匀又影响着应变和应变速率的分布， ASME,1990,112(1):36 4 Bittencout E,Creus G J.Finite element analysis of three- 4结论 dimensional contact and impact in large deformation 将物理模拟实验与有限元数值模拟有机结 problems [J].Comput Struct,1998,69:219 合，进行了新型油井管用钢33Mn2V在张力减径 5 Laasraou A,Jonas J J.Prediction of temperature distribu- tion,flow stress and microstructure during the multi-pass 过程中的三维热力耦合数值模拟分析.直观地给 出了张力减径过程的金属流动、应变、应力和温 hot rolling ofsteel plate and strip []ISIJ Int,1991,31(1): 95 度的三维分布情况.模拟结果表明：不论是工件 6 Laasraoui A,Jonas J.J.Prediction of steel flow stresses at 表面还是内部，在张力减径过程中金属流动、应 high temperatures and strain rates [J].Metall Trans,1991, 变、应力和温度分布都是不均匀的.例如，在毛管 22A:1545 张力减径的初始温度为860℃、环境温度和轧辊 7《机械工程材料性能数据手册》编委会编.机械工程 温度分别取20℃和200℃的条件下，在第2号轧 材料性能数据手册M.北京：机械工业出版社， 辊处于稳态轧制时33Mn2V钢表面最高温度可逾 1995.190 1000℃，内外温差逾150℃：工件横截面上的等效 8王艳文，康永林，余智勇.轧制方坯的三维弹塑性有 限元研究).钢铁，2000,35(2)：38 应变、等效应力分布极不均匀，前者的最大值可 9阁军，鹿守理，陈希克.角钢成形过程三维有限元热 达其最小值的近10倍，后者的最大值可达其最 力耦合模拟刀.北京科技大学学报，1995,21(5)：483. 小值的6倍之多.这些都是分析研究成品管显微 10 Wertheimer T B.Thermal Mechanically Coupled Analysis 组织时应当考虑的重要因素， in Metal Forming Process,Numerical Methods in Indus- trial Forming Processes [M].Swanwea:Pineridge Press 致谢：无锡西姆莱斯钢管有限公司的黄建凯高级工程 Ltd,1982.425 师提供了实验用钢和三辊ASSEL张力减径机轧辊的形 状尺寸及有关工艺参数，在此谨表示衷心感谢 3D Thermo-mechanical Coupled FEM Simulation on Tube Tension-reducing Pro- cess of 33Mn2V Steel for Oil Well Tubes WANG Fuzhong2,LIU Guoquan",ZHANG Yonggang 1)Materials Science and Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Department of Physics,Bohai University,Jinzhou 121003,China 3)Wuxi Seamless Steel Tube Co.Ltd.,Wuxi 214026,China ABSTRACT Using the software MARC/AutoForge3.1,a three-dimensional thermo-mechanical coupled elasto- plastic Minite Element Method(FEM)was used for simulation of a two-pass tube tension-reducing process of 33Mn2V steel for oil well tubes.Simulated results intuitionally visualize the metal flow and dynamic evolution of strain,stress and temperature,especially inside the work-piece,and show that their non-uniform spatial distributions on the longitudinal and transverse sections are a distinct characteristic of the tube tension-reducing process. KEY WORDS seamless tubes;tube tension-reducing;FEM;thermo-mechanical coupled simulation

王 辅 忠 等 油 井 管张 力减 径 过 程 的 三维 热 力祸 合 有 限 元 模 拟 平 行 的工 件横 断面 上 的等效 应 变 、 等 效应 力和 温 度 分 布 可 以看 到 ， 工 件横截面 上 的等 效应 变 、 等 效应 力和温 度 分布 是相 当不 均 匀 的 ， 其 相 应 的分 布 范 围分 别 是 一 ， 一 ， ℃ ， 其 中工 件 近 内外 表 面 处 的等 效 应 变量 可 达 心 部 的近 倍 这 种 不 均 匀 分 布 是 由于 多种 因素 相 互 作 用 造 成 的 一方 面 由于应 变和 应 变速 率 在 横 截 面 上 分 布 不 均 匀 导致 了应 力 和 塑 性 变 形 功 转化 的热 量 在 横截 面 上 分 布 的不 均 匀 ， 进 而 使温 度 分 布 也 是 不 均 匀 的 另一 方 面应 力和 温度 分 布 的不均 匀 又 影 响着 应变 和 应 变速 率 的分 布 结 论 将 物 理 模拟 实 验 与 有 限 元 数 值 模 拟 有 机 结 合 ， 进 行 了新 型 油 井 管 用 钢 在 张 力 减 径 过 程 中的三 维热 力 祸 合 数 值 模 拟 分 析 直观 地 给 出 了张 力减径过 程 的金 属 流 动 、 应 变 、 应 力和温 度 的三 维 分 布 情 况 模拟 结 果 表 明 不 论 是 工 件 表 面 还 是 内部 ， 在 张 力减 径 过 程 中金 属 流 动 、 应 变 、 应 力和 温 度分布 都 是不 均 匀 的 例 如 ， 在毛 管 张 力减 径 的初 始温 度 为 ℃ 、 环 境温 度 和 轧 辊 温 度 分 别 取 ℃ 和 ℃ 的条件 下 ， 在 第 号 轧 辊处 于稳 态 轧制 时 钢 表 面 最 高温 度可逾 ℃ ， 内外 温 差 逾 ℃ 工 件 横 截 面 上 的等 效 应 变 、 等 效应 力 分 布 极 不 均 匀 ， 前 者 的最 大 值 可 达 其最 小 值 的近 倍 ， 后 者 的最 大值 可 达 其 最 小值 的 倍 之 多 这 些 都 是 分 析研 究成 品 管显 微 组 织 时应 当考 虑 的重 要 因素 致 谢 无 锡 西 姆 莱斯 钢 管 有 限 公 司 的黄 建 凯 高级 工 程 师提供 了实验 用 钢 和 三 辊 张 力减 径机轧辊 的形 状尺 寸及有 关 工 艺 参数 ， 在此 谨 表 示 衷 心 感 谢 参 考 文 献 ， ， ， ， ， ， ， 一 一 ， ， ， ， 朴助 ， ， ， ， ， ， ， 一 月 ， ， ， 加 ， ， 《机 械 工 程 材料性 能数据 手 册 》 编委会 编 机械工 程 材 料 性 能 数 据 手 册 北 京 机械工 业 出版 社 ， 王 艳 文 ， 康 永 林 ， 余 智 勇 轧制 方 坯 的三 维弹 塑 性有 限元 研 究 钢 铁 ， ， 阎 军 ， 鹿 守理 ， 陈希克 角钢 成 形 过 程 三 维有 限元 热 力祸 合模 拟 北 京科技大 学 学报 ， ， 七 ， 【 ， 一 一 研 洲刃召 卢、 么无。 馆 ， ，，， 叮 ，气刀朔 刀 ” 及粥心 ， ， 盯 ， ， 叩欣 ， ， ， 记 ， 血 ， ， 一 加 一 而 刀 一 一 而 ， ， 一 ， 一朋 一 加 一 一 而