河北喜利得管道设备有 限公司

随着经济的快速增长和工业化的持续推进，奥氏体不锈钢制压力容器的需求越来越大，其国标封头常采用冷冲压成形的椭圆形封头。冷冲压椭圆形封头因其具有成形性能好、成形精度高以及能够实现批量生产等优点而被广泛运用。
冷冲压工艺会对封头造成残余影响，主要体现在板料的塑性变形以及厚度变化两方面。塑性变形会诱发奥氏体不锈钢产生马氏体相变，材料强度、硬度增加的同时，塑性、韧性也会下降。冷冲压后封头上材料的力学性能也会根据所在位置的塑性变形发生不同程度的改变。目前，国内外标准给出的碳钢封头塑性变形预测公式仅是针对封头的最大塑性变形，并不能全面反映封头冷冲压残余影响。
冷冲压导致的材料力学性能以及壁厚的变化均有可能影响容器的安全服役，近年来封头失效的案例也确有发生，因此，研究封头冷冲压残余影响、建立考虑封头冷冲压残余影响的容器分析方法具有重要的现实意义，以保证容器设计的安全可靠。
本文针对奥氏体不锈钢标准椭圆形封头冷冲压残余影响及其表征的问题，完成了以下工作：
(1)利用ABAQUS建立了冷冲压过程的数值仿真方法，通过对不同规格的封头进行冷冲压成形模拟，得到了封头塑性变形分布规律以及厚度变化规律，建立了相应的公式预测方法。
(2)分析了在成形次数、模具倒角、板料直径以及材料本构不同的条件下，封头冷冲压残余影响的变化规律。结果表明：多次成形与材料本构对于封头塑性变形的影响不大；模具倒角越大，塑性变形越小，直径越小的封头所受影响越明显；板料直径增大，封头塑性变形会随之增加。
(3)开展了封头冷冲压成形试验研究，将试验测量得到的封头经向、环向以及厚度方向的塑性变形与数值仿真以及预测公式的计算结果相比较，发现两者的计算结果能够较好地吻合试验数据，因此，这两种方法的计算结果是可靠的。
(4)建立了考虑封头冷冲压残余影响的两种容器建模方法：通过导入冲压模拟结果，在ANSYS中重新构建封头模型，能够最大程度还原冷冲压成形数值仿真的计算结果，但过程相对复杂，适合结构简单的容器；利用冷冲压残余影响预测公式简化封头建模方法，能在保证计算精度的前提下，简化建模步骤，具有更广的适用性。
(5)通过容器的应变强化试验，测量了封头及筒体上应变随压力的变化情况，并将数据与考虑封头冷冲压残余影响容器建模方法的计算结果进行比较，试验数据与模拟结果墓本吻合，证明建模方法是合理的。
(6)逐一分析了国标碳钢封头厚度变化及材料力学性能变化对容器有限元分析的影响。结果表明：考虑材料力学性能变化时，由于冷冲压提升了材料的屈服强度，使得封头在强化压力的作用下仍处于弹性段，变形大幅减小；根据封头厚度变化规律建模时，封头在强化压力下的应变有所增加；考虑冷冲压残余影响时，除封头顶部区域，其他区域在强化压力下并未出现新的塑性变形。
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