一种弯管用弹性芯棒的弹性体设计方法技术

本发明专利技术公开了一种弯管用弹性芯棒的弹性体设计方法，包括以下步骤：1)初步选定符合所需弯曲成型的薄壁不锈钢弯管内部支撑要求的一种钢丝绳，主要包括钢丝绳中钢丝的排列方式和股数这2个结构参数；2)计算出钢丝绳的弯曲刚度；3)采用超弹体连接模型，对管件的管弯曲成型过程进行数值仿真，确定弹性体合理的材料模型参数和结构尺寸，计算出弹性体的弯曲刚度；4)计算出钢丝直径和钢丝绳公称直径；5)精确的设计出符合所需半径的薄壁不锈钢弯管内部支撑要求的弯管用弹性芯棒的钢丝绳弹性体。本发明专利技术能方便地设计确定出钢丝绳的结构参数和公称直径，从而可以具体指导弯管用弹性芯棒的设计，具有很好的工程应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种弯管用弹性芯棒的弹性体设计方法
本专利技术涉及一种弯管用弹性芯棒的弹性体设计方法，尤其涉及一种弯管用弹性芯棒的钢丝绳弹性体的设计方法。
技术介绍
薄壁不锈钢弯管作为一种关键的轻量化构件，具有质量轻、强度高、节能环保、易于数字化等优点，在航空、航天及其他高
中得到了广泛的应用。而大径厚比、薄壁、小弯曲半径的不锈钢管件，在弯曲成型时，形变强化明显。外侧受拉、壁厚减薄而更容易拉裂；弯曲半径小，材料变形大，更容易拉裂；管件直径大、周向抵抗拉伸能力弱而更容易塌陷；管壁薄，稳定极限低，更容易失稳起皱，从而更容易出现减薄、起皱、塌陷、截面畸变等问题，成型难度非常大，因此弯曲加工时，必须采用软式芯棒进行内部支撑。最典型的软式芯棒为球窝节芯棒。如中国专利号ZL200620105201.9公开的一种用于弯管机的多节活芯，中国专利号ZL201320037937.7公开的一种弯管用芯棒，中国专利申请号200710018458.X公开的一种柔性弯管芯模，中国专利号ZL200820227733.9公开的柔性管端模具和中国专利号ZL201320038126.9公开的球窝节结构的软式弯管模具。由于球窝节芯棒的球体和球形槽的连接处是一个薄弱部位，而抽芯过程中，芯棒和管件之间的摩擦力非常大，因此，连接处很有可能被拉断。中国专利号ZL201420556678.3公开了一种弯曲自如、可弯制小弯曲半径的弯管成型质量好的弯管用弹性芯棒，其中，所述的弹性体是金属材料制成的丝绳，所述的弹性体是内部沿轴向设有细钢丝的橡胶棒，但是没有给出具体的设计方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了一种弯管用弹性芯棒的弹性体设计方法，通过本方法，可以设计确定钢丝绳的结构参数和公称直径，具有很好的工程应用前景。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是：一种弯管用弹性芯棒的弹性体设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据所需弯曲的薄壁不锈钢弯管的材料、壁厚、外径和弯曲半径、弯曲角度，初步选定符合所需弯曲成型的薄壁不锈钢弯管内部支撑要求的一种钢丝绳，主要包括钢丝绳中钢丝的排列方式和股数这2个结构参数；2)根据步骤1)中初步确定的钢丝绳中钢丝的排列方式和股数的结构参数，计算出钢丝绳的弯曲刚度；3)采用超弹体连接模型，对管件的弯曲成型过程进行数值仿真，确定弹性体合理的材料模型参数和结构尺寸，计算出弹性体的弯曲刚度；4)令钢丝绳的弯曲刚度与弹性体的弯曲刚度相等，计算出钢丝直径和钢丝绳公称直径；5)通过将步骤4)计算得到的钢丝直径和钢丝绳公称直径运用到步骤1)中初步确定的钢丝绳中，得到该钢丝绳中的钢丝的直径和钢丝绳公称直径，精确的设计出符合所需半径的薄壁不锈钢弯管内部支撑要求的弯管用弹性芯棒的钢丝绳弹性体。所述的步骤2)中钢丝绳的弯曲刚度计算公式如式(1)所示：式中：K1为钢丝绳的弯曲刚度；E1为钢丝绳的当量弹性模量；I为材料横截面对弯曲中性轴的惯性矩；d为钢丝直径；bi为每股钢丝圆心到钢丝绳中心的垂直距离,i＝1,2,...,n；(n为钢丝股数,i为钢丝到中心的距离的类型)。所述的步骤3)中采用超弹体连接模型，对管件的弯曲成型过程进行数值仿真，通过试弯、调试及分析，确定弹性体合理的材料模型参数和结构尺寸，弹性体的弹性模量计算公式如式(2)所示，弹性体的弯曲刚度计算公式如式(3)所示：式中：E0为弹性体的弹性摸量；C10和C01为弹性体材料正定常数；K0为超弹体的弯曲刚度；D0为弹性体的直径。所述的步骤4)中钢丝绳的弯曲刚度与弹性体的弯曲刚度相等，得到式(4)为：K1＝K0(4)代入计算得到式(5)为：其中：E1计算公式如式6所示：式中：σb为拉丝绳的抗拉强度，根据实际需求选定；εb为钢丝绳的强度应变，通过GB/T8358-1987钢丝绳拉断拉伸试验方法确定。从而可以求出d，最终可以确定钢丝绳的公称直径，计算公式如式(7)所示：D＝nd(7)式中：D为钢丝绳的公称直径；n为钢丝股数。本专利技术的有益效果是：本专利技术与常规主要或只承受拉力载荷的钢丝绳不同，弯管用弹性芯棒的弹性体钢丝绳，不仅要求具有承受一定拉力载荷的能力，同时要求具有合适的弯曲刚度，即能够承受弯曲载荷而不失稳甚至破坏，并且要有足够的柔性，防止对弯管造成损伤。本方法根据实际需求确定抗拉强度后，以弯曲刚度作为等价指标，通过数值仿真确定合理的弯曲刚度，再对应到具体的弹性体钢丝绳设计，可以方便地设计确定出钢丝绳的结构参数和公称直径，从而可以具体指导弯管用弹性芯棒的设计，具有很好的工程应用前景。附图说明图1为本实施例弯管用弹性芯棒的弹性体设计方法流程图；图2为实施例1中所初步选定的GBT20118-2006单股绳类、钢丝绳结构1×19结构示意图。具体实施方式实施例1下面结合实例进一步说明本专利技术所述的弯管用弹性芯棒的弹性体设计方法，具体操作步骤如下：1)根据所需半径的薄壁不锈钢弯管，初步选定如图2所示GBT20118-2006中单股绳类1×19结构为符合所需弯曲的薄壁不锈钢弯管内部支撑要求的一种钢丝绳，确定了包括钢丝绳中钢丝的排列方式和股数这2个结构参数；本实施例中排列方式为中心1股钢丝，中心外围绕6股钢丝，之外再围绕12股钢丝；总共19股。2)根据步骤1)中初步确定的钢丝绳中钢丝的排列方式和股数的结构参数，计算出钢丝绳的弯曲刚度；式中：K1为钢丝绳的弯曲刚度；E1为钢丝绳的当量弹性模量；I为材料横截面对弯曲中性轴的惯性矩；d为钢丝直径；bi为每股钢丝圆心到钢丝绳中心的垂直距离；i＝1,2,...,n；(n为钢丝股数,i为钢丝到中心的距离的类型)。3)采用超弹体连接模型，本实施例采用Mooney-Rivlin模型来描述弹性体的材料特性，以409薄壁不锈钢管件弯曲半径为1D为例，对管件的管弯曲成型过程进行数值仿真，通过试弯、调试及分析，确定弹性体合理的材料模型参数C10＝40、C01＝10和结构尺寸D0＝20mm弹性体的弹性模量计算公式如式(2)所示，弹性体的弯曲刚度计算公式如式(3)所示：将上述确定的弹性体合理的材料模型参数值代入公式(2)(3)中，计算出弹性体的弯曲刚度：式中：E0为弹性体的弹性摸量；C10和C01为弹性体材料正定常数；K0为超弹体的弯曲刚度；D0为弹性体的直径。4)令钢丝绳的弯曲刚度K1与弹性体的弯曲刚度K0相等，计算出钢丝直径和钢丝绳公称直径；即令K1＝K0(4)即7.02πd4E1＝9.42×106其中：得：其中，σb为拉丝绳的抗拉强度，根据实际需求选定1770Mpa，εb为钢丝绳的强度应变，假设通过GB/T8358-1987钢丝绳拉断拉伸试验方法测定为70.3。从而可以求出d＝3.6最终，根据钢丝绳排列方式，可以确定钢丝绳的公称直径：D＝nd(7)D＝5d＝18式中：D为钢丝绳的公称直径；n为钢丝股数。5)通过将步骤4)计算得到的钢丝直径d和钢丝绳公称直径D1运用到步骤1)中初步确定的钢丝绳中，得到该钢丝绳中的钢丝的直径和钢丝绳公称直径，精确的设计出符合所需半径的薄壁不锈钢弯管内部支撑要求的弯管用弹性芯棒的钢丝绳弹性体。这样，就设计确定了弯管用弹性芯棒的弹性体—钢丝绳的排列方式、钢丝股数、钢丝直径和钢丝绳的公称直径。本实施例与常规主要或只承受拉力载荷的钢丝绳不同，弯管用弹性芯棒的弹性体钢丝绳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种弯管用弹性芯棒的弹性体设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据所需弯曲的薄壁不锈钢弯管的材料、壁厚、外径和弯曲半径、弯曲角度，初步选定符合所需弯曲成型的薄壁不锈钢弯管内部支撑要求的一种钢丝绳，主要包括钢丝绳中钢丝的排列方式和股数这2个结构参数；2)根据步骤1)中初步确定的钢丝绳中钢丝的排列方式和股数的结构参数，计算出钢丝绳的弯曲刚度；3)采用超弹体连接模型，对管件的弯曲成型过程进行数值仿真，确定弹性体合理的材料模型参数和结构尺寸，计算出弹性体的弯曲刚度；4)令钢丝绳的弯曲刚度与弹性体的弯曲刚度相等，计算出钢丝直径和钢丝绳公称直径；5)通过将步骤4)计算得到的钢丝直径和钢丝绳公称直径运用到步骤1)中初步确定的钢丝绳中，得到该钢丝绳中的钢丝的直径和钢丝绳公称直径，精确的设计出符合所需半径的薄壁不锈钢弯管内部支撑要求的弯管用弹性芯棒的钢丝绳弹性体。

【技术特征摘要】
1.一种弯管用弹性芯棒的弹性体设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据所需弯曲的薄壁不锈钢弯管的材料、壁厚、外径和弯曲半径、弯曲角度，初步选定符合所需弯曲成型的薄壁不锈钢弯管内部支撑要求的一种钢丝绳，主要包括钢丝绳中钢丝的排列方式和股数这2个结构参数；2)根据步骤1)中初步确定的钢丝绳中钢丝的排列方式和股数的结构参数，计算出钢丝绳的弯曲刚度；3)采用超弹体连接模型，对管件的弯曲成型过程进行数值仿真，确定弹性体合理的材料模型参数和结构尺寸，计算出弹性体的弯曲刚度；4)令钢丝绳的弯曲刚度与弹性体的弯曲刚度相等，计算出钢丝直径和钢丝绳公称直径；5)通过将步骤4)计算得到的钢丝直径和钢丝绳公称直径运用到步骤1)中初步确定的钢丝绳中，得到该钢丝绳中的钢丝的直径和钢丝绳公称直径，精确的设计出符合所需半径的薄壁不锈钢弯管内部支撑要求的弯管用弹性芯棒的钢丝绳弹性体；所述的步骤2)中钢丝绳的弯曲刚度计算公式如式(1)所示：式中：K1为钢丝绳的弯曲刚度；E1为钢丝绳的当量弹性模量；I为材...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋兰芳，刘红，林伟明，鲁聪达，
申请(专利权)人：浙江工业大学之江学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33