厚壁钢管压力矫直的实验目的

实验目的

本章的主要内容是针对厚壁钢管的压力矫直的实验研究。

在第三章和第四章分别对厚壁钢管的压力矫直参数进行了理论分析，并且进行了相关的有限元模拟，给出了计算压力矫直钢管行程和压力矫直厚壁钢管的中间截面的扁化的表达式。

为了验证厚壁钢管的压力矫直的理论分析及其有限元分析的正确性和准确性，本文进行了相关的实验研究。

通过理论计算、有限元模拟、实验数据的比较，并且分析计算精度及误差产生的原因，这将有助于对建立的理论模型研究的进一步完善。

本文展开压力矫直厚壁钢管实验研究的主要目的有：

1)通过对厚壁钢管压力矫直实验的研究，可以验证公式推导正确性，验证有限元模拟仿真结果的精确度。

2)对厚壁钢管的压力矫直的理论计算结果和实验数据进行对比，以及对有限元仿真结果和实验数据对比，分析误差，并且查找误差产生的原因，对厚壁钢管的压力矫直理论进行必要的完善，确定有限元仿真的参考价值，为以后仿真模拟计算提供指导，为厚壁钢管的压力矫直实践生产提供指导，增加其计算精度和实用性，以便以后对不同类型的管材的矫直参数进行研究。

3)针对不同规格的厚壁钢管在不同的条件和情况下进行压力矫直实验对比并分析，分析影响矫直的因素。

实验方法

根据厚壁钢管压力矫直的实际情况，可以确定厚壁钢管压力矫直过程的实验方法为：厚壁钢管由两个支座支撑，厚壁钢管的压点上方设置了压头，压头由液压系统以小于2/mm s缓慢施压。

如图6-1所示，压力传感器安置在压头上，并对矫直载荷进行测量，位移传感器安置在压点的下方，并对矫直行程进行测量。

压力矫直的过程包括矫直加载和矫直卸载两个过程，通过位移传感器和压力传感器进行测量并且记录，得到实验数据。为了能在整个长度方向上对挠度进行测量，再在压点两侧安置2个位移传感器。

单弧度弯曲厚壁钢管的压力矫直实验主要是对具体的一种规格的钢管，确定合适的支点距离、压点位置，并且观察变形情况，记录测试的结果，研究理论模型的正确性，验证文章中的理论结论。

压力矫直实验所需采集和测量的数据有：1)支点距的确定；2)初始挠度；3)矫直力的测量；4)矫直行程的测量；5)残余挠度的测量；6)表面光滑度以及平直度的测量。

厚壁钢管的压力矫直实验研究

实验台及实验方案

由上述的实验目的和实验方法，以上海某厂的厚壁钢管矫直机如图6-2为实验平台，提取现场操作的数据，与建立的厚壁钢管压力矫直时的载荷-挠度模型与压扁模型进行对比。

整个压力矫直实验系统的组成部分：液压系统、检测控制部分、矫直实验台，具体介绍如下：

1)液压系统：压力矫直机的加载和卸载过程都是由液压系统来完的。压力矫直机是液压系统驱动方式，其中和机械加载方式相比，液压系统具有的优点是：加载的载荷大、传动平稳、启动快速并且容易控制等。

2)检测控制部分：压力传感器、位移传感器、信号转换装置、及记录装置构成了检测部分，主控计算机是主要控制部分，可以实时显示并且记录。

3)压力矫直实验台：在普通压力机的基础上进行改装，改装为压力矫直实验台，压力矫直实验台主要由压头、工作台、支座、液压缸及门梁组成，其中支座间的距离是在矫直前需要调整好的，具体参数如表6-1所示。

主要的实验器材有：压力矫直机、位移传感器、压力传感器、钢管。

厚壁钢管压力矫直的实验包括以下内容：

1)载荷和行程控制的矫直研究；

2)壁钢管扁化的研究。

技术方案

通过压力矫直机做以下实验：

1)第一组压力矫直实验：所选的钢管厚径比为0.2，外径为100mm，在不同的矫直行程和矫直力下的矫直实验；

2)第二组压力矫直实验：所选的钢管厚径比为0.2和0.25，外径为200mm，在不同的矫直力下的矫直实验；

运用两组实验的数据来验证理论推导公式和有限元法的正确性。其中实验所用到的厚壁钢管的尺寸和材料分别见表6-2和表6-3：

本节阐述厚壁钢管压力矫直实验的研究过程、方法。

对厚壁钢管在不同载荷和矫直行程的情况下进行矫直实验，比较厚壁钢管压力矫直实验结果和理论计算结果，并且比较厚壁钢管压力矫直实验结果和有限元仿真结果数据。

压力矫直厚壁钢管的实验研究

厚壁钢管压力矫直实验中采集到的载荷-挠度实验数据如表6-4和图6-3所示，并且对数据进行分析计算。

厚壁钢管压力矫直实验中采集到的扁化实验数据如表6-5、表6-6、图6-4和图6-5所示，并且对数据进行分析计算。

根据图6-3、表6-4可以看出：

1)理论公式计算的数据和实验数据对比，整体趋势一致，误差较小，误差最大值为2.9%，说明所建立的理论模型具有较高的精度。

2)有限元模拟的数据和实验数据对比，整体趋势是一致的，误差较小，误差最大值为4%，说明，应用有限元的方法进行分析压力矫直厚壁钢管的问题，是可行的。但是有限元对计算机的配置要求，以及需要较长的计算时间。

根据图6-4、图6-5、表6-5和表6-6可以看出：

1)理论公式计算的数据和实验数据对比，整体趋势一致，误差最大值为22%，证明所建立的理论模型的正确。

2)有限元模拟的数据和实验数据对比，误差较大，误差最大值为35%，但是整体趋势是一致的。误差产生的原因主要是由于在建模时对材料模型的简化和摩擦系数的选取不精准，若选取更加准确的材料模型和符合实际工况的摩擦系数，将会减少误差。

厚壁钢管压力矫直行程与扁化率计算软件的开发

厚壁钢管压力矫直机行程计算系统

本文使用Visual Basic 6.0(简称VB)作为厚壁钢管的压力矫直参数设计计算软件的开发环境，使设计过程便利并且美观，减轻工程设计人员的劳动强度和工作压力。Microsoft公司推出的Visual Basic 6.0，是开发应用软件的重要工具，也是当今非常优秀的可视化程序设计语言。针对压力矫直工艺计算较复杂，计算量较大，公式繁多等问题，选用MATLAB程序设计中的M文件的编程方式进行编写。然后通过VB调用MATLAB程序设计中的M文件，进行计算，并将计算结果返回给VB。

厚壁钢管压力矫直机行程计算系统的界面如图6-6。

操作过程为：

1)输入已知的钢管参数：厚壁钢管的外径D，厚径比，压力矫直支点距L，材料的弹性模量E，初始弯曲挠度δ，钢管的屈服应力sσ。

2)调用MATLAB编写的程序求解载荷-挠度模型。

3)根据初始弯曲挠度δ和载荷-挠度模型求解矫直行程。

利用厚壁钢管压力矫直机行程计算系统可以计算矫直行程，为厚壁钢管压力矫直机的开发提供参考。

厚壁钢管压力矫直机钢管扁化率系统

厚壁钢管压力矫直机钢管扁化率计算系统的界面如图6-7。

1)输入已知的钢管参数：厚壁钢管的外径D，厚经比，压力矫直支点距L，材料的弹性模量E，矫直力F，钢管的屈服应力sσ。

2)调用MATLAB编写的程序求解扁化率。

利用厚壁钢管压力矫直机钢管扁化率计算系统可以计算钢管扁化率，为厚壁钢管压力矫直机的工艺计算提供参考。

本章首先明确了实验的目的及方法，介绍了实验使用的压力矫直机，对厚壁钢管的载荷-挠度的模型和截面扁化模型进行了验证，实验数据表明，建立的模型精度较高，最后使用编程语言VB编写了相关软件，为计算压力矫直厚壁钢管的矫直参数提供便利。