摘要：针对某金属结构公司在钢管弯制过程中出现的个别钢管断裂现象进行研究，根据现场钢管弯制工艺和工序的情况描述，采用非线性有限元软件Marc对钢管的多工位弯制过程进行模拟仿真.以最恶劣的情况即曲率最大的胎具进行多工位弯制，仿真结果显示6个工位的连续弯制过程最大应力为552 MPa，没有达到材料的抗拉极限626 MPa，该弯制过程不会引起钢管强度失效.模拟钢管多种曲率胎具弯制下的应力应变分布情况和回弹后残余应力应变情况.仿真结果表明，弯制此种钢管最大曲率的圆弧时，钢管上的最大应力为542 MPa，小于材料的抗拉强度626 MPa；最大塑性应变为0.031，小于材料允许的最大伸长应变0.2.经过模拟仿真分析，该公司采用的弯制工艺不会引起材料强度失效断裂.引起钢管弯制断裂的原因为个别材料夹杂或气孔造成的小概率事件.
　　关键词：钢管； 断裂； 有限元； 弯制； Marc
　　中图分类号：TG941； TB115.1文献标志码：B
　　0引言
　　钢管弯制时室外温度约8 ℃，材质Q345C的钢管 402 mm×14 mm，弯制到曲率半径62.138 m时，最后在1.79 m（长边），1.61 m（短边）处断裂.钢管断裂位置示意见图1.钢管采用弧度控制胎具和液压千斤顶进行冷弯，具有一定曲率的胎具固定在推制段的中间位置，一端固定，另一端推制.固定端采用1 000 t液压千斤顶，推制端采用1 200 t千斤顶推制.2个千斤顶中心距离3.6 m，整根钢管分段（1.2 m为一个推制段）推制，弯制工具和现场见图2.
　　4结论
　　钢管多工位弯制过程是个几何非线性、材料非线性和边界条件非线性的仿真问题.本文对3种非线性现象进行正确、有效的处理.对于钢管，采用符合其承载和变形特点的壳单元进行网格划分，仿真分析结果与现场弯制的现象吻合.通过仿真，分析钢管弯制过程的最大应力应变分布情况，总结如下：
　　（1）采用Marc对11 524 mm长钢管在半径为28 m的胎具弯制过程中，分别对6个推制段进行模拟仿真和分析.通过仿真结果可知，弯制过程中钢管内侧和外侧弯制变形最大的部位为应力最大区域.6个工位的弯制过程最大应力为552 MPa，没有达到材料的抗拉极限626 MPa.仿真工况比实际工况恶劣，弯制工艺没有出现突破抗拉极限强度的现象，弯制工艺可行，由此推断实际弯制过程的工艺可行且安全.
　　（2）进一步对不同胎具半径的单工位进行模拟仿真.单步弯制仿真的曲率半径分别为164，61，28和18 m的圆弧弯制，并给出本批次钢管样件在以上圆弧胎具弯制时应力应变分布情况和回弹后的残余应力应变分布情况.仿真模拟表明，即使弯制较大曲率的圆弧，如半径为18 m的圆弧弯制，钢管上的最大应力为542 MPa（小于抗拉强度626 MPa），最大塑性应变为0.031（小于材料允许的最大伸长应变0.2）.综上分析，该弯制工艺不会引起材料强度失效断裂.
　　（3）为能更准确地找出问题所在，本文还对钢管断裂原因进行分析.从实际的整个断裂面观察，断口形貌粗糙，呈银灰色晶粒突起状，断口上部有明显的河流花样和解理面，且断面处钢管尺寸无明显变化，无明显弯制变形，符合脆性断裂的特征[3].脆性断裂一般发生在高强度或低延展性、低韧性的金属和合金上.即使金属有较好的延展性，在低温、厚截面、高应变率（如冲击）或是有缺陷情况下，也会发生脆性断裂.脆性断裂引起材料失效一般是由于冲击，而非过载[4].材料内部在冶炼、轧制和热处理等各种制造过程中不可避免地产生某种微裂纹，在无损伤检验时又没有被发现，那么，在使用过程中由于应力集中、疲劳和腐蚀等原因，裂纹会进一步扩展.当裂纹尺寸达到临界尺寸时，就会发生低应力脆断的事故[5].
　　参考文献：
　　[1]陈火红. Marc有限元实例分析教程[M]. 北京： 机械工业出版社， 2002： 159.
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　　[3]庄东叔. 材料失效分析[M]. 上海： 华东理工大学出版社， 2009.
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　　[5]钟君鹏. 材料失效诊断、预测和预防[M]. 长沙： 中南大学出版社， 2009.（编辑陈锋杰）