一種大口徑熱擠壓成型三通的建模方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大口徑熱擠壓成型三通的建模方法，屬于大口徑熱擠壓成型三通壁厚的計算機模擬與爆破壓力評估預測研究領域，包括：簡化熱擠壓成型三通主管和支管的幾何尺寸、主管和支管厚度、主管短節(jié)和支管短節(jié)幾何尺寸、肩部倒角的厚度、主管短節(jié)封頭和支管短節(jié)封頭的厚度；建立三通倒角尺寸和各斷面厚度變化的模型；進行熱擠壓成型三通的建模。本發(fā)明提供的一種適用于研究大口徑熱擠壓成型三通壁厚的計算機建模方法，根據熱擠壓三通的成型工藝特點，在實際測量熱擠壓成型三通壁厚變化規(guī)律的基礎上，通過上述的計算機建模簡化前提得到的各個角度截面的斷面的CAD圖，并分析得出熱擠壓成.型三通的壁厚分布變化特點。
【專利說明】一種大口徑熱擠壓成型三通的建模方法及裝置

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于大口徑熱擠壓成型三通壁厚的計算機模擬與爆破壓力評估預測研究 領域，特別涉及一種大口徑熱擠壓成型三通的建模方法及裝置。

【背景技術】
[0002] 長輸油氣管道工程建設中，為了滿足分輸、變向、計量等需要，站場、閥室及壓氣站 等現(xiàn)場施工常常需要大量的彎頭、三通等大口徑管件產品。對于熱擠壓成型三通管件，由于 其支管與主管根部獨特的圓弧過渡結構，使得三通的結構強度強烈地依賴于支管與主管根 部曲率半徑R和肩部壁厚t等尺寸。ANSI B16. 9管道規(guī)范提出了一系列管道元件的尺寸要 求。對于三通主要包括主管長度和支管位于主管中線以上的高度，以及外徑及端部的壁厚 和焊接坡口的尺寸，但對于主、支管過渡處的尺寸和整體形狀沒有要求。我國石化行業(yè)的有 關規(guī)范也基本沿用了以上規(guī)定。實際上，不同廠家、不同生產工藝以及按不同的模具生產的 同規(guī)格熱擠壓成型三通各部位幾何尺寸并不完全相同，尤其是壁厚和主支管過渡處的曲率 半徑，而這兩個參數對管件的強度均有較大影響。所以在實體模型建立的過程中，首先分析 實際熱擠壓成型三通的幾何尺寸，特別是各部位厚度及相貫區(qū)曲率半徑，尋找其變化規(guī)律， 建立與實際熱擠壓成型三通誤差在可控范圍內的有限元分析模型。
[0003] 現(xiàn)有的文獻資料表明還沒有關于材質為X80,規(guī)格為Φ 1219mmX 1219mmX 1219mm 和Φ 1219mmX 1219mmX 900mm三通方面用計算機模擬其爆破壓力的實例，更沒有關于計算 機模擬爆破壓力的結果與實際爆破壓力相比較方面的研究。僅有按Mises屈服判據計算的 理論初始屈服壓力和全屈服壓力及按第一、三、四強度理論和中徑公式、福貝爾公式等計算 以C>356mmX55mm焊接高壓等徑三通爆破壓力的結果與實際爆破壓力結果相比較。該種等 徑三通為焊接高壓三通而非大口徑厚壁熱擠壓三通，其三通的各個壁厚尺寸較均勻，可以 很好的預測。但得到的實際結果與理論計算值仍有很大的差別。且單個爆破試驗數據不具 有代表性。
[0004] 關于熱擠壓成型的大口徑三通，現(xiàn)有計算機模擬方法均將三通的主管和支管的壁 厚看作是在整個周向厚度均勻，且主管與支管連接的肩部為兩個管壁厚的光滑過渡，在整 個周向上均勻等厚。這種假設本身就大大偏離了熱擠壓成型工藝三通的實際尺寸情況，因 此在此基礎上的計算更與實際情況偏差較大。


【發(fā)明內容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種大口徑熱擠壓成型三通的建模方法，用于 實現(xiàn)大口徑熱擠壓成型三通的準確軟件建模。
[0006] 為解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種大口徑熱擠壓成型三通的建模方法，包 括：
[0007] 簡化熱擠壓成型三通主管和支管的幾何尺寸、主管和支管厚度、主管短節(jié)和支管 短節(jié)幾何尺寸、肩部倒角的厚度及主管短節(jié)封頭和支管短節(jié)封頭的厚度；建立三通倒角尺 寸和各斷面厚度變化的模型；進行熱擠壓成型三通的建模。
[0008] 本發(fā)明還提供了一種大口徑熱擠壓成型三通的建模裝置，包括：
[0009] 簡化單元，用于簡化熱擠壓成型三通主管和支管的幾何尺寸、主管和支管厚度、主 管短節(jié)和支管短節(jié)幾何尺寸、肩部倒角的厚度、主管短節(jié)封頭和支管短節(jié)封頭的厚度； [0010] 模型初建單元，用于建立三通倒角尺寸和各斷面厚度變化的模型；
[0011] 三通建模單元，用于進行熱擠壓成型三通的建模。
[0012] 本發(fā)明提供的一種適用于研究大口徑熱擠壓成型三通壁厚的計算機建模方法，根 據熱擠壓三通的成型工藝特點，在實際測量熱擠壓成型三通壁厚變化規(guī)律的基礎上，通過 上述的計算機建模簡化前提得到的各個角度截面的斷面的CAD圖，并分析得出熱擠壓成型 三通的壁厚分布變化特點。根據三通管徑壁厚的變化規(guī)律建立熱擠壓成型的三通模型，巧 妙地化解了每一個熱擠壓成型三通的壁厚尺寸均不同的復雜性，及熱擠壓成型三通各部分 壁厚不同的特點，建立大口徑熱擠壓成型三通的壁厚關鍵尺寸數據庫。并模擬熱擠壓成型 三通在承受內壓過程中的受力情況，進行三通爆破壓力評估與預測分析，并建立了三通管 件的計算爆破壓力值數據庫。有效解決了因熱擠壓成型三通壁厚尺寸的復雜分布而不利于 準確地進行計算機模擬預測爆破壓力和相應地工程計算的缺點，為管道工程設計人員提供 了一種便捷可行的設計計算方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明實施例提供的大口徑熱擠壓成型三通的建模方法流程圖；
[0014] 圖2為本發(fā)明實施例中熱擠壓成型三通的截面示意圖；
[0015] 圖3為本發(fā)明實施例中根據相應三通壁厚生成的0°、30°、45°、60°和90°斷 面示意圖；
[0016] 圖4為本發(fā)明實施例中進行熱擠壓成型三通的SolidWorks2010軟件建模方法流 程圖；
[0017] 圖5為本發(fā)明實施例中熱擠壓成型三通的模型控制斷面示意圖；
[0018] 圖6為本發(fā)明實施例中生成的三通模型主管和主管短節(jié)斷面示意圖；
[0019]圖7為本發(fā)明實施例中生成的三通模型支管和支管短節(jié)斷面示意圖；
[0020] 圖8為本發(fā)明實施例中生成的三通主管短節(jié)封頭和支管短節(jié)封頭斷面示意圖；
[0021] 圖9為本發(fā)明實施例提供的一種大口徑熱擠壓成型三通的建模裝置結構圖。

【具體實施方式】
[0022] 為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面結合附圖對本發(fā)明作進一步 的詳細描述。
[0023] 如圖1所示，為本發(fā)明實施例提供的大口徑熱擠壓成型三通的建模方法流程圖， 包括以下步驟：
[0024] 步驟101、簡化熱擠壓成型三通主管和支管的幾何尺寸、主管和支管厚度、主管短 節(jié)和支管短節(jié)幾何尺寸、肩部倒角的厚度及主管短節(jié)封頭和支管短節(jié)封頭的厚度。
[0025] 由于實際生產的熱擠壓成型三通管件的壁厚各部分（主管、支管、封頭）的幾何尺 寸不同，且每一部分的不同角度斷面上的厚度分布不同，且同一角度斷面上的壁厚厚度也 不是恒定不變的。因此，在進行計算機建模時，有必要根據三通壁厚的變化規(guī)律，對其壁厚 尺寸進行必要的簡化，其簡化的總體原理如下：
[0026] (1)將所述三通主管和支管的外形簡化成標準的圓柱形；
[0027] (2)將所述三通的支管端部壁厚簡化為均勻壁厚，取所測壁厚的平均值；
[0028] (3)將所述三通的主管斷面簡化為外輪廓為圓，內輪廓為橢圓，且兩個非同心圓， 內圓（橢圓）圓心位于外圓圓心正下方；
[0029] (4)所述三通的肩部倒角厚度簡化方法為：由現(xiàn)場測得的厚度及外輪廓畫出各個 角度斷面圖，測出各斷面內外倒角半徑，運用SolidWorks軟件建模時可以自動建立變半徑 倒角；
[0030] (5)將所述三通的主管短節(jié)和支管短節(jié)簡化為標準的圓柱體；
[0031] (6)將所述三通的主管短節(jié)封頭和支管短節(jié)封頭簡化為標準的半橢球體。
[0032] 具體的簡化方法如下：
[0033] (1)三通主管和支管幾何尺寸的簡化：由于在熱擠壓生產工藝中鼓包擠壓的工 序，三通主管和支管的外形不會是十分標準的圓柱形，故為了模型的簡便，將主管和支管的 外形簡化成標準的圓柱形。
[0034] (2)支管的厚度簡化：由所測厚度的分析將支管端部壁厚簡化為均勻壁厚，取所 測壁厚的平均值。
[0035] (3)主管的厚度簡化：主管端部厚度顯示為上大下小，從上至下厚度平緩過度，故 將主管端部斷面簡化為兩個非同心圓，內圓圓心位于外圓圓心正下方；三通橫斷面部位主 管處的厚度分析可知，一般為左右兩側的厚度最大，底部的厚度最小，故將三通橫斷面處主 管斷面簡化為外輪廓為圓，內輪廓為橢圓。
[0036] (4)肩部倒角厚度的簡化：由現(xiàn)場測得的厚度及外輪廓畫出各個角度斷面圖，測 出各斷面內外倒角半徑，運用SolidWorks軟件建模時可以自動建立變半徑倒角。
[0037] (5)主管短節(jié)和支管短節(jié)的簡化：根據現(xiàn)場所測的厚度，主支管短節(jié)的厚度均勻， 故簡化為標準的圓柱體。
[0038] (6)主管短節(jié)封頭和支管短節(jié)封頭的簡化：根據現(xiàn)場所測的厚度，主支管封頭的 厚度均勻，故簡化為標準的半橢球體。
[0039] 步驟102、建立三通倒角尺寸和各斷面厚度變化的模型。圖2為熱擠壓成型三通 幾何尺寸示意圖，其中C為三通主管長度的一半，Μ指支管位于主管中線以上的高度，D0為 三通主管的外徑，d0為三通支管的外徑，R為主管和支管的肩部過渡處的曲率半徑。將三 通的各部分尺寸進行簡化后，對熱擠壓成型三通進行0°、30°、45°、60°和90°斷面的 壁厚實際測量，見圖3。將各個測點坐標值輸入AutoCAD中，并用樣條曲線spling連接，可 得到該角度的斷面圖。由于0°和90°曲線的倒角曲率即為主管和支管交接面曲率，故按 0°和90°倒角建模。倒角半徑由每段圓弧半徑的平均值來確定。
[0040] 步驟103、進行熱擠壓成型三通的SolidWorks2010軟件建模。根據前面步驟101 提供的將熱擠壓三通模型進行簡化后，根據步驟102提供的熱擠壓成型三通各個斷面厚度 的變化規(guī)律和倒角的變化規(guī)律，運用S 〇lidW〇rks2010軟件分別進行主管和主管短節(jié)模型、 支管和支管短節(jié)模型、主管短節(jié)封頭和支管短節(jié)封頭模型、三通肩部倒角模型的建立。具體 步驟如圖4所示：
[0041] 步驟1031、進行主管和主管短節(jié)模型的建立（此時不考慮支管在主管上的開口， 先將主管看作一圓管）。圖5(1)為主管各個控制斷面示意圖，包括主管的2和3斷面位置 和主管短節(jié)的1和2斷面位置。1/2主管各橫斷面形狀尺寸如圖6,其中斷面1、2間距為主 管短節(jié)長度（2C);斷面2, 3間距為三通C值即主管的1/2長度，見圖2 ;其中斷面1為主管 短節(jié)（三通連接到其它管線上的主管短節(jié)部分）的端部斷面（斷面在周向的壁厚分布均 勻），斷面2為三通主管端部斷面，斷面3為三通主管橫向對稱面；主管2, 3斷面滿足了實 際尺寸中三通壁厚漸變且同斷面上下部位厚度不同的事實。
[0042] 步驟1032、進行支管和支管短節(jié)模型的建立。圖5(2)為支管各個控制斷面示意 圖，包括支管的5和6斷面位置和支管短節(jié)的4和5斷面位置。對支管內表面形狀進行分 析，支管各橫斷面形狀尺寸如圖7,其中斷面4和斷面5間距為支管短節(jié)長度（三通連接到 其它管線上的支管短節(jié)部分），斷面5和斷面6間距為三通Μ值，見圖2 ;其中斷面4為支管 短節(jié)的端部斷面（斷面在周向的壁厚分布均勻），斷面5為三通支管端部斷面，斷面6為理 想中支管到達三通主管和支管軸線相交處時的斷面。
[0043] 步驟1033、進行主管短節(jié)封頭和支管短節(jié)封頭模型的建立，主管短節(jié)封頭和支管 短節(jié)封頭斷面如圖8。分別以主管短節(jié)管端外徑和內徑，作為主管短節(jié)封頭的橢球體的外壁 直徑和內壁直徑，畫出橢球體的底面；以實際測量得到的主管短節(jié)封頭的外壁和內壁高度， 作為主管短節(jié)封頭的橢球體的外壁和內壁的短軸長度，建立主管短節(jié)封頭的橢球體。分別 以支管短節(jié)管端外徑和內徑，做為支管短節(jié)封頭的橢球體的外壁直徑和內壁直徑，畫出橢 球體的底面；以實際測量得到的支管短節(jié)封頭的外壁和內壁高度，做為支管短節(jié)封頭的橢 球體的外壁和內壁的短軸長度，建立支管短節(jié)封頭的橢球體。
[0044] 以DN1219X 1219X900型號熱擠壓成型三通為例（倒角半徑由每段圓弧半徑的 平均值來確定，求得0°平均外倒角曲率半徑為120mm，平均內倒角曲率半徑163mm ;90° 平均外倒角曲率半徑為271mm，平均內倒角曲率半徑為320mm。主管和主管短節(jié)實際外徑 1230mm，0°曲線對應主管端部厚度51. 3mm，主管下部厚度45mm，支管外徑920mm)，實際測 得M = 787mm，C = 889mm，主管短節(jié)兩端封頭間的總長為5200mm，支管短節(jié)封頭到三通中心 的距離是2227mm。主管短節(jié)封頭的高度395. 5mm，支管短節(jié)封頭的高度303mm。即主管短節(jié) 封頭的建立是以長軸的外壁為1230mm高度（短軸）為395. 5mm建立橢球的封頭外壁，內壁 為1140mm高度（短軸）為350. 5mm建立橢球封頭的內壁。支管短節(jié)封頭的建立是以長軸 920mm高度（短軸）為303mm建立橢球封頭的外壁，長軸830mm高度（短軸）258mm建立橢 球封頭的內壁。
[0045] 步驟1034、進行三通肩部倒角的建立，采用變半徑倒角。由于三通為對稱模型，為 計算簡便，故取1/4模型。
[0046] 為保證測得數據的準確性，應使用鋼板尺進行主管短節(jié)封頭和支管短節(jié)封頭的橢 球體的外壁和內壁的長軸測量，且鋼板尺的量程范圍應大于主管短節(jié)端部橢球體的長軸， 測量過程中應以鋼板尺的一端固定，另一端進行左右移動，找到測得的最大值即為橢球體 的長軸尺寸。進行橢球體的短軸測量時，應將鋼板尺放置于封頭直徑上（即橢球體的長 軸），取其中心位置作為封頭端面的圓心，用游標卡尺或鋼板尺進行深度測量，測得的結果 為橢球體封頭的短軸內徑，加上封頭的壁厚即得到封頭的短軸外徑。
[0047] 本發(fā)明基于熱擠壓三通制造過程中的成型特點導致其個體厚度差別較大，并 且每個三通的不同部位（主管的底部、主管側面、主管與支管連接的肩部以及支管的 管徑）的壁厚均存在較大的差異。本發(fā)明基于實際三通管件的尺寸進行建模，有效 地解決了復雜的熱擠壓成型三通進行計算機模擬預測爆破壓力，并建立了復雜壁厚 Φ 1219mmX 1219mmX 1219mm 和 Φ 1219mmX 1219mmX900mm 三通的爆破數據庫。
[0048] 本發(fā)明實施例還提供了一種大口徑熱擠壓成型三通的建模裝置，如圖9所示，包 括：
[0049] 簡化單元91，用于簡化熱擠壓成型三通主管和支管的幾何尺寸、主管和支管厚度、 主管短節(jié)和支管短節(jié)幾何尺寸、肩部倒角的厚度、主管短節(jié)封頭和支管短節(jié)封頭的厚度；
[0050] 模型初建單元92,用于建立三通倒角尺寸和各斷面厚度變化的模型；
[0051] 三通建模單元93,用于進行熱擠壓成型三通的建模。
[0052] 總之，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1. 一種大口徑熱擠壓成型三通的建模方法，其特征在于，包括： 簡化熱擠壓成型三通主管和支管的幾何尺寸、主管和支管厚度、主管短節(jié)和支管短節(jié) 幾何尺寸、肩部倒角的厚度、主管短節(jié)封頭和支管短節(jié)封頭的厚度；建立三通倒角尺寸和各 斷面厚度變化的模型；進行熱擠壓成型三通的建模。
2. 根據權利要求1所述的大口徑熱擠壓成型三通的建模方法，其特征在于，所述簡化 熱擠壓成型三通主管和支管的幾何尺寸、主管和支管厚度、主管短節(jié)和支管短節(jié)幾何尺寸、 肩部倒角的厚度、主管短節(jié)封頭和支管短節(jié)封頭的厚度的步驟具體包括： 將主管和支管的外形簡化成圓柱形； 將支管端部壁厚簡化為均勻壁厚，取所測壁厚的平均值； 將主管端部斷面簡化為兩個非同心圓，內圓圓心位于外圓圓心正下方；將三通橫斷面 處主管斷面簡化為外輪廓為圓，內輪廓為橢圓； 由現(xiàn)場測得的三通主管各個角度的壁厚及外輪廓畫出各個角度斷面圖，測出各斷面內 外倒角半徑，自動建立變半徑倒角； 將主管短節(jié)和支管短節(jié)簡化為圓柱體； 將主管短節(jié)封頭和支管短節(jié)封頭簡化為半橢球體。
3. 根據權利要求2所述的大口徑熱擠壓成型三通的建模方法，其特征在于，所述建立 三通倒角尺寸和各斷面厚度變化的模型的步驟具體包括： 對熱擠壓成型三通主管進行0°、30°、45°、60°和90°斷面的壁厚實際測量，將各 個測點坐標值輸入AutoCAD中，并用樣條曲線spling連接，得到該角度的斷面圖，按0°和 90°倒角建模，倒角半徑由每段圓弧半徑的平均值來確定。
4. 根據權利要求3所述的大口徑熱擠壓成型三通的建模方法，其特征在于，所述進行 熱擠壓成型三通的建模的步驟具體包括： 進行主管模型的建立； 進行主管短節(jié)模型的建立； 進行支管模型的建立； 進行支管短節(jié)模型的建立； 進行主管短節(jié)封頭和支管短節(jié)封頭模型的建立； 進行三通肩部倒角的建立，采用變半徑倒角。
5. 根據權利要求4所述的大口徑熱擠壓成型三通的建模方法，其特征在于，所述進行 主管短節(jié)封頭和支管短節(jié)封頭模型建立的步驟具體包括： 分別以主管短節(jié)管端外徑和內徑,作為主管短節(jié)封頭的橢球體的外壁直徑和內壁直 徑，畫出橢球體的底面；以實際測量得到的主管短節(jié)封頭的外壁和內壁高度，作為主管短節(jié) 封頭的橢球體的外壁和內壁的短軸長度，建立主管短節(jié)封頭的橢球體；分別以支管短節(jié)管 端外徑和內徑，作為支管短節(jié)封頭的橢球體的外壁直徑和內壁直徑，畫出橢球體的底面；以 實際測量得到的支管短節(jié)封頭的外壁和內壁高度，作為支管短節(jié)封頭的橢球體的外壁和內 壁的短軸長度，建立支管短節(jié)封頭的橢球體。
6. -種大口徑熱擠壓成型三通的建模裝置，其特征在于，包括： 簡化單元，用于簡化熱擠壓成型三通主管和支管的幾何尺寸、主管和支管厚度、主管短 節(jié)和支管短節(jié)幾何尺寸、肩部倒角的厚度、主管短節(jié)封頭和支管短節(jié)封頭的厚度； 模型初建單元，用于建立三通倒角尺寸和各斷面厚度變化的模型； 三通建模單元，用于進行熱擠壓成型三通的建模。
【文檔編號】F16L41/02GK104217084SQ201410472090
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月16日 優(yōu)先權日:2014年9月16日
【發(fā)明者】齊麗華, 劉迎來, 池強, 楊放, 張繼明, 熊慶人, 張偉衛(wèi), 李炎華 申請人:中國石油天然氣集團公司