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机械设计及理论专业毕业论文 [精品论文] 石油钻杆管端加厚成形过程的数值模拟 关键词：石油钻杆 管端加厚成形 本构方程 高温压缩变形 热力耦合有限元法 数值模拟 摘要：钻杆是石油钻采行业中大量使用的重要零件，要求具有很高的强度、抗拉及抗疲劳性能。研究表明，在钻杆管端加厚过程中所形成的内加厚过渡带的形状对钻杆的使用寿命有显著影响。因此优化石油钻杆管端加厚工艺，改善钻杆内加厚过渡带的几何形状，有利于减轻应力集中，提高钻杆的使用寿命。由于钻杆加厚成形过程的复杂性，必须通过适当的加热温度、变形体积、变形速度和变形力来保证管端加厚的形状和尺寸。本文通过对石油钻杆管端加厚工艺流程和影响因素的深入研究，在参考国内外研究成果的基础上，提出采用已得到广泛应用的热力耦合有限元法对石油钻杆管端加厚的成形过程进行分析研究，并开展了如下的具体工作： 首先对石油钻杆管端加厚的成形过程进行分析，深入了解各因素对最终成形的影响，参考已有的经验设计和标准要求，针对G105级φ127×9.19mm规格钻杆初步设计了钻杆管端加厚工具和加厚变形工艺方案。 然后在考虑石油钻杆管端加厚的成形过程及工艺参数的基础上，设计了钻杆管用材料的物理模拟试验方案。在Gleeble-1500热模拟试验机上，采用等温压缩试验研究了石油钻杆用G105级钢（API标准）在高温压缩变形时的热塑性变形特性。在确认了试验的有效性和修正了由于变形功热产生的温升后，参考已有的经验公式，在Matlab软件中用回归分析方法建立了合适的石油钻杆用G105级钢高温条件下的流变应力本构方程。回归分析表明，该回归方程比较显著，在试验温度和应变速率范围内具有较高的精度。 将上述所得本构方程作为有限元模拟时的材料模型，针对G105级φ127×9.19mm石油钻杆，在大型有限元软件MSC.Marc中建立石油钻杆管端加厚的有限元模型，采用刚粘塑性热力耦合有限元法，对管端加厚初步设计的成形过程进行了模拟。通过对成形过程应力、应变场和温度场分析，揭示了管端加厚过程中的金属流动变化情况，对工艺和模具设计具有一定的参考意义和实际应用价值。 最后针对初步设计工艺方案中出现的的管端加厚产品缺陷，对加厚工具及变形工艺进行改进，在MSC.Marc中对石油钻杆管端加厚过程再次进行仿真，最终得到了良好的产品形状。由于最终成形时所形成的内加厚过渡带形状并不是理想的锥体形状，本文采用成形曲线与理想直线进行对比的方法评价了内加厚过渡带形状的优劣，并在保证产品尺寸的情况下确定了最优的产品形状。  正文内容 钻杆是石油钻采行业中大量使用的重要零件，要求具有很高的强度、抗拉及抗疲劳性能。研究表明，在钻杆管端加厚过程中所形成的内加厚过渡带的形状对钻杆的使用寿命有显著影响。因此优化石油钻杆管端加厚工艺，改善钻杆内加厚过渡带的几何形状，有利于减轻应力集中，提高钻杆的使用寿命。由于钻杆加厚成形过程的复杂性，必须通过适当的加热温度、变形体积、变形速度和变形力来保证管端加厚的形状和尺寸。本文通过对石油钻杆管端加厚工艺流程和影响因素的深入研究，在参考国内外研究成果的基础上，提出采用已得到广泛应用的热力耦合有限元法对石油钻杆管端加厚的成形过程进行分析研究，并开展了如下的具体工作： 首先对石油钻杆管端加厚的成形过程进行分析，深入了解各因素对最终成形的影响，参考已有的经验设计和标准要求，针对G105级φ127×9.19mm规格钻杆初步设计了钻杆管端加厚工具和加厚变形工艺方案。 然后在考虑石油钻杆管端加厚的成形过程及工艺参数的基础上，设计了钻杆管用材料的物理模拟试验方案。在Gleeble-1500热模拟试验机上，采用等温压缩试验研究了石油钻杆用G105级钢（API标准）在高温压缩变形时的热塑性变形特性。在确认了试验的有效性和修正了由于变形功热产生的温升后，参考已有的经验公式，在Matlab软件中用回归分析方法建立了合适的石油钻杆用G105级钢高温条件下的流变应力本构方程。回归分析表明，该回归方程比较显著，在试验温度和应变速率范围内具有较高的精度。 将上述所得本构方程作为有限元模拟时的材料模型，针对G105级φ127×9.19mm石油钻杆，在大型有限元软件MSC.Marc中建立石油钻杆管端加厚的有限元模型，采用刚粘塑性热力耦合有限元法，对管端加厚初步设计的成形过程进行了模拟。通过对成形过程应力、应变场和温度场分析，揭示了管端加厚过程中的金属流动变化情况，对工艺和模具设计具有一定的参考意义和实际应用价值。 最后针对初步设计工艺方案中出现的的管端加厚产品缺陷，对加厚工具及变形工艺进行改进，在MSC.Marc中对石油钻杆管端加厚过程再次进行仿真，最终得到了良好的产品形状。由于最终成形时所形成的内加厚过渡带形状并不是理想的锥体形状，本文