SUPERVISOR
Mahmoud Farzin,Reza Gafari nadooshan
محمود فرزین (استاد راهنما) رضا جعفری ندوشن (استاد راهنما)
STUDENT
Amir Razazzadeh
امیر رزاز زاده
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391
TITLE
Simulation of Three-Roller Sizing Process of Seamless Tube Manufacturing Using Damage Mechanics Principles
Cold tube rolling process is one of the current seamless tube manufacturing methods. HPTR (High Pressure Tube Reducer) cold pilgering is the most appropriate and important technique for manufacturing of these tubes. However there are some challenges in manufacturing of seamless tubes with this method. One of the serious problems of this process is micro-cracks in final product. Numerical modeling is a method to predict and reduce these micro-cracks. In current study, damage in HPTR cold pilgering process is simulated by the finite element software ABAQUS. In these finite element simulations, three different subroutines concerning three different damage models, including Lemaitre model, modified Lemaitre model and cumulative damage model are used to predict damage initiation in the process. Considering the type of applied loads that is reverse loading, the selected damage models must have the ability to model the material behavior with combined hardening. For this purpose the damage models in both case of isotropic and combined hardening were implemented. Due to the complexity in derivation of damage equations, an alternative method for derivation has been proposed. One of the important achievements of this research is using a new method to implement modified Lemaitre damage model with combined hardening. This procedure reduced many difficulties and complexities of previous methods. Due to the high computational cost of the simulations, rather than considering symmetry of the process a new method is also proposed to reduce computational cost and process steps. To insure validation of subroutines, several benchmark tests were simulated and obtained results were compared with experimental and numerical results of previous researches. After reviewing and fixing possible errors in HPTR cold pilgering simulation, results were compared with available experimental and numerical results and a good agreement was observed. The results show that three mentioned damage models correctly predict damage distributions but predicted damage by Lemaitre model is more than modified Lemaitre model due to ignoring crack closure effect in compressive loads. In the same models and conditions, the amount of damage resulting from damage models with combined hardening is less than damage models with isotropic hardening. Also results represent that the crack growth is started from the external surface of the tube. Effects of process parameters like tube feed rate and friction coefficients between tools and tube on damage distributions are also investigated. It is shown that changing in friction coefficient of external tube surface which is in contact with rollers have great effect on the amount of resulted damage on tube also it is realized that different tube internal and external friction coefficients cause shear strain in tube that increase damage. According to these results, the least amount of damage appears when the internal and external friction coefficients are the same and small as possible. Increasing tube feed rate also can increase damage in final tube. Finally, the modified Lemaitre model with combined hardening was introduced as the best damage model to prediction of damage in HPTR cold pilgering process. By using the results of this study, it is possible to improve manufacturing process of these tubes in order to reduce the amount of damage in final products. Keywords: HPTR cold pilgering, Seamless tube, Finite element modeling, Damage mechanics
روش نورد سرد لوله از فرآیندهای رایج تولید لوله ی بدون درز است. فرآیند نورد پیلگر به روش سه غلتکه از مهم ترین و مناسب ترین روش های تولید این نوع لوله ها با روش نورد می باشد. اما مشکلاتی نیز برسر راه تولید لوله های بدون درز با این روش وجود دارد. یکی از این مشکلات، ترک های ایجاد شده در لوله نهایی است. یکی از روش های مهم پیش بینی و کاهش این ترک ها استفاده از شبیه سازی عددی فرآیند است. در این تحقیق به شبیه سازی اجزای محدود آسیب در فرآیند پیلگر سرد به روش سه غلتکه در نرم افزار اجزای محدود آباکوس پرداخته می شود. در این شبیه سازی ها جهت مشاهده ی آسیب از سه مدل آسیب شامل مدل آسیب نرم لمتر و اصلاح شده لمتر و مدل آسیب تجمعی در قالب سه زیربرنامه برای تحلیل در نرم افزار آباکوس استفاده می شود. با بررسی نوع بار اعمال شده در این فرآیند مشخص شد که بارگذاری از نوع معکوس شونده می باشد و باید مدل های آسیب انتخاب شده توانایی مدل کردن رفتار ماده همراه با کارسختی ترکیبی را داشته باشند. بنابراین مدل های آسیب مذکور در دو حالت کارسختی همسان و ترکیبی پیاده سازی شد. به دلیل پیچیدگی در مشتق گیری از معادلات آسیب، جایگزینی برای روش مشتق گیری پیشنهاد داده شد. از دست آوردهای مهم این تحقیق، استفاده از روشی جدید در پیاده سازی مدل آسیب اصلاح شده لمتر با کارسختی ترکیبی بود که بسیاری از مشکلات و پیچیدگی های روش قبلی را برطرف نمود. به دلیل هزینه ی محاسباتی بالای شبیه سازی این فرآیند، در مدل سازی علاوه بر در نظر گرفتن تقارن، روشی جدید برای کاهش حجم محاسبات و کاهش مراحل شبیه سازی ارائه شده است. سپس از صحت زیربرنامه های نوشته شده توسط شبیه سازی عددی چند آزمایش متداول و مقایسه نتایج حاصل از این شبیه سازی ها با نتایج تجربی و عددی پژوهش های قبلی، اطمینان حاصل شد و پس از بررسی و رفع خطاهای احتمالی مدل سازی، نتایج حاصل از شبیه سازی فرآیند پیلگر سه غلتکه با نتایج پژوهش های مرتبط مقایسه شد که تطابق بسیار خوبی با آن ها داشت. شبیه سازی ها نشان می دهد هر سه مدل آسیب پیش بینی خوبی در مورد نقاط آسیب ماکزیمم ارائه می دهند اما تفاوت قابل ملاحظه ای در میزان آسیب مدل لمتر و اصلاح شده لمتر، به دلیل لحاظ نشدن اثر بسته شدن ترک ها در فشار در آسیب لمتر، وجود دارد. از دیگر نتایج بدست آمده کمتر بودن مقادیر آسیب حاصل از مدل های آسیب با کارسختی ترکیبی نسبت به همان مدل های آسیب با کارسختی همسان در شرایط یکسان می باشد. همچنین نتایج بدست آمده نشان دهنده شروع رشد ترک از سطح خارجی لوله می باشد. اثر پارامترهای فرآیند شامل میزان تغذیه در هر مرحله و ضریب اصطکاک بین اجزای فرآیند در میزان آسیب بررسی شده است. از جمله نتایج مهم در این بررسی ها مشخص شد که تغییر در ضریب اصطکاک سطح خارجی لوله که در تماس با غلتک ها قرار دارد، تأثیر زیادی بر میزان آسیب بوجود آمده در لوله می گذارد. همچنین مشخص شد تفاوت اصطکاک سطح داخلی و خارجی لوله باعث به وجود آمدن کرنش برشی در لوله و در نتیجه افزایش رشد آسیب در لوله می شود. با توجه به نتایج بدست آمده کمترین میزان آسیب زمانی پدید می آید که ضریب اصطکاک سطح داخلی با ضریب اصطکاک سطح خارجی لوله برابر و تا حد ممکن کوچک باشد. با بررسی میزان تغذیه مشخص شد هرچه میزان تغذیه در هر مرحله بیشتر باشد میزان آسیب در انتهای فرآیند کمتر است. در پایان از میان سه مدل آسیب ذکر شده، مدل آسیب اصلاح شده لمتر با کارسختی ترکیبی به عنوان بهترین مدل برای پیش بینی میزان آسیب در فرآیند پیلگر سه غلتکه معرفی شد. با نتایج بدست آمده از این تحقیق می توان فرآیند تولید این لوله ها را در جهت کاهش میزان آسیب در محصول، بهبود بخشید. کلمات کلیدی نورد لوله سه غلتکه، لوله بدون درز، شبیه سازی اجزا محدود، مکانیک آسیب