文/扶苏秘史编辑/扶苏秘史在各行各业中，校正管道、轴和桥梁的形状是一个重要的实际应用领域，由于焊接、碰撞以及工作应力等因素，零件往往会发生变形，在管道的操作过程中，精确调整管道的方向在管道交界处也会遇到问题。
为了解决这些变形和调整的需求，人们采用了多种方法，包括冷热弯曲、喷砂、热处理、点加热、线加热等。
01加热方法在局部加热的过程中，通过快速加热金属零件表面的小区域，通常使用气体火炬作为热源，为了避免与气体接触，通常会在加热区域周围覆盖绝缘材料。
加热区域会因为热膨胀而受到周围冷区的压力，随着温度升高，加热区域内的压应力增加，导致屈服应力减小，从而产生轻微的膨胀塑性应变，在工件冷却和变形后，加热区域的长度会缩短，这种方法适用于细管道，使用简便且成本较低。
然而，点加热的一个局限性是变形程度较低，而且难以通过再次加热区域来增加变形，为了增加弯曲角度，可以对加热区施加预应力，但这需要使用合适的工具来对零件进行初始弯曲。
此外，在加热过程中很难精确控制表面温度，使用有限元分析来模拟过程可以预测变形，但需要准确确定气体火炬施加的热量以及材料特性随温度的变化。
以往的研究中，通过优化热点参数，成功增加了管道的弯曲角度，研究者们利用计算流体动力学（CFD）分析来确定管道表面上的热通量分布，并获得了适用于组合热点的适当距离。
研究表明，通过这种方法，最大的弯曲角度达到了0.149 mm/m，是传统点加热弯曲的两倍以上，为了验证这一结果，还进行了点加热测试。
另一种热弯曲方法是线加热，即沿特定路径移动热源，然而，这种方法的变形预测较为复杂，需要确定适当的路径并控制热源的移动。
在各种方法中，沿着管道纵向往复路径进行线加热是一种古老的管道弯曲方法，相比局部加热，这种方法可以显著增加弯曲角度并减小加热区域的拉伸应力，然而，该方法需要同时控制两个割炬在管道侧面的移动，难度较大。
02仿真设置与优化方法在进行分析和测试时，所考虑的管道具有内径为203.2毫米和厚度为8.18毫米，此外，还对直径和厚度的变化对结果的影响进行了讨论，为了研究不同的加热方法，使用了具有载荷和边界条件的管道的半模型，这是由于其对称性所决定的。
在模型中，考虑了周围空气的自然对流影响，研究结果表明，对流系数的精确值并不会对结果产生显著影响，由于材料的性质与温度有关，因此热分析呈现非线性特性，由于塑性行为，结构分析也具有非线性特征，采用全牛顿-拉弗森方法来确保有限元模型的更好收敛性。
管道中存在的位移和温度这两个场变量导致了结构和热方程之间的耦合，同时也引起了材料性能与温度之间的相互关系。
尽管塑料制品产生的热量微不足道，可以忽略不计，但由于加热引起的结构变形非常微小，不会对热负荷产生影响。
因此，这个问题可以被认为是“弱耦合”，可以按顺序求解耦合的热结构问题，也被称为负载矢量法，因此，首先执行热分析，然后将温度分布作为荷载矢量传递到结构分析中。
在研究中，温度控制更为精确，因此，将最高温度设定为700°C，这个温度低于碳钢的冶金相变点（AC1温度，723°C），热分析被分为两个步骤：加热和冷却。
在第一阶段施加热通量，在第二阶段将其移除，有限元代码的设置使得在表面温度达到700°C后，加热停止并开始冷却，因此，加热时间以最高温度的形式纳入问题中，这种方法避免了时间参数的直接涉及，同时也简化了解释结果的过程。
03热通量分布在局部加热和管线加热的过程中，热源的半径通常相对较小，因此常常使用高斯分布来对热源进行建模。
虽然一些研究通过使用CFD模拟火焰流动来代表不同的热分布，仿真结果表明，这并不会显著影响小加热半径下的变形情况，为了简化问题，部分研究使用了固定的温度分布。
在之前的研究中，利用高斯热分布模型对热源进行建模，以优化管道的局部加热，从而增加其弯曲角度。
参数研究表明，随着加热区半径和最大热强度的增加，管道弯曲角度首先增大，然后减小，在最佳有效加热半径下，由于变形机制的变化，弯曲程度显著增加，与传统方法相比表现出更好的效果。
但在较大的加热半径下（相对于管道直径），热通量分布不再呈高斯分布（管道表面曲率的变化影响了热量分布）。
然而，使用大型加热火炬并对周围区域进行隔热处理可以提供相对均匀的热量分布，因此将均匀的热通量应用于大直径的圆形区域，这个方法被称为“宽加热”。
这项研究中采用了SA-106碳钢无缝管，其碳含量为0.192%，并经过量子计测试以验证其适用于测试和分析。
在环境温度下（依据ASTM E 8M标准），对四个管道样品进行了拉伸测试，得到了平均的杨氏模量、屈服应力以及切线模量，分别为210 GPa、295 MPa和4900 MPa。
低碳钢的弹性模量、切线模量以及屈服应力在不同温度下的一般关系被考虑在内，通过将拉伸试验获得的屈服应力和切线模量应用于这些关系中，研究得到了所需的分析数值，这一数据的使用对于了解材料的力学性能以及在热弯曲过程中的变形行为至关重要。
有限元分析的结果应当与单元尺寸无关，通过采用细致的网格划分，可以准确捕捉不同方向上，尤其是通过材料厚度的数量梯度变化。
为了研究单元尺寸对结果的影响，研究人员针对沿纵向路径的纵向残余应力分布进行了研究，需要注意的是，该路径位于管道横截面的外缘。
在加热区域，纵向残余应力在内缘呈现拉伸，而在外缘呈现压缩，参数TH和LE分别代表通过元素厚度和长度来划分加热区域径向的单元数量，随着单元尺寸减小，曲线在初始变化后开始趋于稳定。
观察到通过沿着厚度为5毫米的区域施加四个元素，即可获得足够准确的响应，以满足有限元分析的精确性要求，对于沿纵向和切向路径的其他应力分量，同样得到了类似的结果，这强调了在分析中使用适当的单元尺寸和网格划分对于获得可靠的结果的重要性。
04宽加热时的变形机理在不同的研究中，研究人员探讨了激光加热对于不同厚度范围的细管（从0.1毫米到2毫米）和板的变形效应。
这些研究提出了三种主要的变形机制，分别是热梯度机制（TGM）、缩短（也称为镦粗）机制以及局部屈曲机制。
研究表明，TGM机制适用于轴的收缩变形，而缩短机制则适用于细管的激光弯曲，然而，在这些研究中并未讨论较厚管道的加热情况，对于厚管道，考虑使用成本较低的热源，如割炬，因为在这种情况下，加热区的半径应当比传统激光加热的半径大得多。
在小的加热半径下，加热区周围的小范围受到应力影响，因此在电阻区（即受热区膨胀引起的应力较大区域）的情况下，应力影响较小。
当加热区的半径与管道的直径相近时，在整个管道截面中将会存在电阻区，在这种情况下，管道的抗弯强度变得极为重要，因为这将改变厚管道加热过程中的变形机制，这种不同加热半径下的加热区和电阻区的分布如图示所示。
为了深入研究不同变形机制，研究选择了三种加热情况，以及一个额外的情况来模拟TGM机制，在情况1中，采用了非常小的加热半径和极高的热通量，在情况2、3和4中，加热区的半径分别低于、等于或高于最佳半径，并且采用了最佳的热通量。
管道的温度随着厚度的增加而变化，这取决于所施加热通量的半径、强度和持续时间，当在较小的范围内施加高热通量时，与管道的厚度和直径相比，温度会迅速达到允许的最大极限温度。
只有管道的上部分会在周围区域的压力下膨胀并经历塑性应变，导致其长度缩短，管道首先向下弯曲，然后在冷却后向上弯曲。
这种情况类似于情况1，产生了热梯度机制（TGM）和相对于加热方向的反向弯曲，在这种情况下，管道的局部弯曲（膨胀）在加热区较高，其缩短度较低，导致整体弯曲率的显著减小，残余等效塑性应变在这种机制中分布，此外，小的加热半径和高热强度会产生较小的弯曲。
当热通量强度降低，而加热区的半径增加，或者使用具有更高热扩散系数的管道时，几乎所有厚度都会受到充分加热和膨胀的影响。
加热区域会受到挤压，承受压缩塑性应变，并在周围较冷区域的压力下缩短，在情况2和3中，加热区的加热机制会导致管道产生较大的弯曲，加热区的大小会影响塑性变形的区域。
然而，随着加热区半径的增加，管道中的抗阻面积会减小，在抗阻截面内，开始出现拉伸屈服。
随着加热区半径的增加，弯曲程度首先增大，然后减小，这在一定的热通量强度下特别明显，在这些情况下的残余塑性应变分布也会发生变化。
当加热区的半径过大时（情况4），管道的电阻面积减小，因此在整个区域内会产生拉伸塑性应变，这导致在加热区产生的压力应力减小，进而减小了压缩塑性应变。
最终的弯曲角度会降低，这种情况下的残余塑性应变分布表现出类似的趋势，当加热区的半径大于最佳半径时，管道的弯曲角度会减小。
通过仔细观察管道变形机制，我们可以发现，在加热时间结束时，沿着圆周路径（取厚度的平均值）的纵向塑性应变（ε l）会发生变化，在情况2中，最佳情况下，管道阻力区的拉伸塑性应变几乎为零。
在情况3中，最佳情况下，抗压区的拉伸塑性应变和加热区的压缩塑性应变相当可观，而在情况4中，加热区的进一步扩展导致电阻区的拉伸塑性应变增加，在这种情况下，加热区的大面积导致抗压区的平均压力降低，从而压缩塑性应变显著降低。
结论为了在厚壁钢管的弯曲过程中增加弯曲角度，研究人员进行了模拟，采用了分布均匀的宽加热方法，并对其变形机制进行了详细研究。
在这项研究中，他们提出并优化了一种名为"宽加热"的方法，以扩展缩短机制，并实现了高达0.756 mm/m的最大弯曲角度。
在过去的研究中，一些方法，如热梯度机制（TGM）和缩短机制，被提出用于管道的弯曲，然而，为了实现更大的弯曲角度，研究人员引入了"宽加热"方法，并对其进行了精确的研究，在这个方法中，热通量均匀地分布在管道的一个大区域内，以产生更加均匀的热膨胀。
经过优化宽加热的参数，研究人员成功地扩展了缩短机制，从而实现了显著增强的弯曲效果，最终，他们达到了0.756 mm/m的最大弯曲角度，这是一项令人瞩目的成就。
此外，研究人员还评估了一种名为"同时宽加热"（SWH）的新方法，该方法在两个切线区域内同时应用宽加热。
通过这种方法，管道的弯曲角度进一步增加到了2.196 mm/m，这是传统Holt方法（0.88 mm/m）的2.5倍，值得注意的是，通过实施这种方法，不仅无需控制割炬的速度和路径，而且更容易控制温度的分布。
这项研究通过模拟和实验，引入了宽加热方法以增加厚壁钢管的弯曲角度，通过优化宽加热参数，他们成功地扩展了缩短机制，从而实现了显著的弯曲效果。
此外，通过同时宽加热方法，他们进一步提高了管道的弯曲角度，取得了令人鼓舞的成果，这些发现为优化弯曲过程和管道变形控制提供了有力的指导。