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