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摘 要

金属复合管分为内层管和外层管，由两种及以上材料组成。与单一的金属相比，复合管的机械、物理和化学性质明显提高，强度，刚性，抗疲劳性也得到改善。与传统的双金属复合管制作方法相比，液压胀接复合管，具有低成本、强度高、耐腐蚀、耐磨损等优点，在工业生产中得到了日益广泛的应用。因此，对双金属复合管的成型机理与应用性能的研究具有重要的工程意义。

本文广泛查阅了文献，综合考虑材料强化与不强化的影响，对双金属复合管进行了理论分析。通过ANSYS有限元软件，以内层管Φ25×2mm不锈钢，外层管采用Φ43×8.8mm碳钢建立了模型，分析施加不同的胀接压力时的应力应变状况，得出残余接触压力的变化规律，进而得到了推荐采用的最佳制造工艺参数，为双金属复合管的制造提供参考。

关键词： 复合管 液压胀接 残余接触压力 有限元

Theoretical analysis and numerical simulation of hydraulic expansion of composite pipes

Abstract

The metal composite pipe, consisting of two or more materials, is divided into an inner tube and an outer tube. Compared with the single metal pipe, its mechanical, physical and chemical properties get enhanced significantly. Also, the strength, rigidity and fatigue resistance are improved. In the manufacture of metal tube, compared with the traditional metal pipe manufacturing method, hydraulic expansion making composite pipe has the advantages of low cost, high strength, corrosion resistance, abrasion resistance and other advantages, which made it has been increasingly widely applied. Therefore, it is of important engineering significance to study the forming mechanism and applied properties of bimetal composite pipes.

This article extensively reviewed the literature ,the bimetallic composite pipe is theoretically analyzed by two aspects of material strengthening and non-strengthening. By ANSYS, the inner tube is Phi 25 * 2mm stainless steel, the outer tube is used as the model of 43 *8.8mm steel. The stress and strain conditions are analyzed when different expansion pressures are applied, then the change rule of residual contact pressure is acquired. Subsequently, the recommended optimum manufacturing process parameters are obtained, which provide a theoretical method of for the manufacture of double metal composite pipe.

Keywords: Clad pipe; Hydraulic expansion; Residual contact pressure; FEM

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2复合管国内外研究进展 1

1.2.1国外研究状况 1

1.2.2 国内研究状况 2

1.3复合管的生产工艺 3

1.4液压胀接法制作复合管 5

1.4 本文所做的工作 6

第二章 复合管液压胀接成形理论分析 7

2.1 引言 7

2.2 内外管成形过程受力分析 7

2.2.1 内管受力分析 7

2.2.2 加载条件时内外管受力状况分析 8

2.2.3 卸载条件时内外管受力状况分析 9

2.2.4 胀管压力与残余接触压力之间的相互关系 10

2.2.5 胀管压力极值分析 11

2.3 幂强化作用下复合管的残余接触压力理论解 12

2.4 本章小结 12

第三章 ANSYS有限元模拟及分析 13

3.1 引言 13

3.2 建立有限元模型及数值模拟 13

3.2.1 建立几何模型及网格单元划分 13

3.2.2 载荷施加 16

3.3 网格划分密度对模拟结果的影响 17

3.4 模拟值与理论解对比分析 18

3.4.1 各大理论值与模拟值 18

3.4.2 外层管在屈服状态时残余接触压力的变化 19

第四章 温度对复合管残余接触压力的影响分析 22

4.1 引言 22

4.2残余接触压力与温度之间的关系 22

4.3 本章小结 27

第五章 结论与展望 28

5.1 本文主要研究成果 28

5.2 展望 28

参考文献 30

致 谢 32

第一章 绪论

1.1 引言

金属复合管^{[1]- [3]}分为内层管和外层管， 主要有双金属复合管，其内外管都由金属材料组成，应用范围最广，使用量较大，占有一定的市场份额，一般内管由不锈钢等高合金高组成，以便提高强度与耐腐蚀等，外管由碳钢等低合金钢组成，实现材料最大利用，节省贵重金属以及稀缺金属的使用，具有广泛的应用前景。铝塑复合管，其内管由铝制品组成，外管一般采用高聚物组成，如聚乙烯塑料，通过粘合剂相互结合，早些年代使用较多，加工制作比较简单，一般用于承压不大，温度不高的的场合。钢塑管，其内管采用性能较好的塑料组成，通常为高聚物，可提高耐腐蚀性能，外管采用普通碳钢，具有一定的强度，生产成本低，使用较多，可用于带有腐蚀性介质的场合。木材金属复合管，内管为金属管，外管由木质材料所组成，管层之间通过粘合剂相互结合，加工方便，成本低，一般用于装饰品、玩具等制品，不宜用于高温强腐蚀的场合，复合管容易失效。

融合方法（如铸造焊接法和离心法）^{[4] [5]}与特种设备的需要相关，复杂的工艺，技术要求高，生产成本高，所以在生产金属管时没有像冷成型方法那样被大范围使用。液压胀接法^{[6] [7]}制造复合管，根据设计要求先将内外管套起来，然后通过对内管施加压力，内外管将会因膨胀而结合。这种制作方法克服成型复合管生产技术在传统冷成形制作工艺中不易控制，容易产生裂纹和加工硬化缺陷。通过使用液压膨胀法制作复合管，在产品质量和生产效率的两个方面具有更大的优势，顺应了当今世界工业发展的新趋势。

1.2复合管国内外研究进展

1.2.1国外研究状况

由于该复合管的优良性能，自上世纪60年代以来，美、日、英、德等国家对复合管的发展和使用情况，针对生产过程、测试方法、性能等方面做了大量的研究。在后来发展上日本有着比较成熟技术，日本于20世纪80年代初开发了多种复合工艺。根据有限元分析方法^{[ 8 ]-[ 10 ]}，进一步对内高压成形过程进行大量研究。更复杂的中空部件在汽车中使用，如副车架和其他部件已成为主要研究对象，德国人首先将THF技术^{[ 11 ]}用于汽车结构零部件的生产制作。

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