本发明属于大口径弯管成形技术领域，尤其涉及一种非均匀壁厚管材弯曲成形方法。
背景技术：
通常情况下，火力、油气等大口径弯管管材未被弯曲时，周向各个位置的壁厚是相等的。当管材弯曲成形后，由于外侧受拉内侧受压，迫使弯管外侧壁厚减薄，内侧壁厚增厚，弯管外侧壁厚的减薄容易造成弯管泄露事故的发生，对安全生产提出了严峻考验。
在传统均匀壁厚管材弯曲成形法中，可通过阻力法控制弯管壁厚变化率。采用阻力法控制弯管壁厚时，对所施加阻力大小的稳定性要求极高，阻力大小精度也及其不易控制，并且当施加阻力较大时，对整个弯管机的性能也提出严峻考验。因此，有必要提出新的弯管成形方法来实现弯管壁厚控制。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种非均匀壁厚管材弯曲成形方法，通过将初始待弯曲管材设计为非均匀壁厚，来实现管材弯曲后壁厚均匀的目的。
本发明提供了一种非均匀壁厚管材弯曲成形方法，包括：
设直管段均匀壁厚管材的壁厚为δ0，待弯曲非均匀壁厚管材外侧壁厚为δw，且满足δw>δ0，待弯曲非均匀壁厚管材内侧壁厚为δn，且满足δn<δ0；
令弯曲成形后的外侧壁厚为δw1,且定满足δw1<δw，内侧壁厚为δn1，且满足δn1>δn；
令δ＝δw1＝δn1，求取δw及δn，即为非均匀壁厚管材弯曲前的管材外侧设计壁厚及管材内侧设计壁厚；其中，δ为均匀壁厚弯管的目标壁厚；
根据求取的δw及δn确定非均匀壁厚管材的尺寸，并进行弯曲成形，获得均匀壁厚的弯管段。
进一步地，该方法具体包括：
设非均匀壁厚管材的截面内外轮廓分别由两个半径为r2和r1的圆构成，根据几何关系可得r1与r2之间的关系式为：
令半径为r1和r2两个圆的圆心分别为o1和o2，且o1与o2之间的距离为db，根据几何关系有：
db＝r1-r2-δn(2)
设a1'和a2'为由中性轴l将管材截面分成的两个区域，圆心o1到中性轴l的距离为x1，以o1为原点，建立直角坐标系；
令a1'＝a2'，根据a1'＝a2'建立方程：
式(3)中，y1和y2的表达式分别为：
令r"为非均匀壁厚管材弯曲成形后应变中性层的曲率半径，r1'为应变中性层至弯管外侧的距离，r2'为应变中性层至弯管内侧的距离；
根据几何变形条件求得：
式(6)中，r'、r1'、r2'的表达式分别为：
将式(1)、式(2)、式(3)、式(4)、式(5)、式(6)和式(7)连立方程，代入r，r1，δ，α的值，求解方程组获得db，δn，δw，r2的值，并根据db，δn，δw，r2的值确定待弯曲非均匀壁厚管材的尺寸。
进一步地，非均匀壁厚管材由非均匀厚度板材卷曲焊接而成；其中，非均匀厚度板材的厚度分布规律根据非均匀壁厚管材外侧壁δw、非均匀壁厚管材内侧壁δn以及成形角计算获得。
借由上述方案，通过非均匀壁厚管材弯曲成形方法，能够实现管材弯曲后壁厚均匀。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明非均匀壁厚管材截面轮廓图；
图2是本发明板材厚度分布图；
图3是本发明非均匀壁厚管材截面尺寸图；
图4是本发明均匀壁厚弯管剖面尺寸图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参图1至图4所示，本实施例提供了一种非均匀壁厚管材弯曲成形方法，包括：
设直管段均匀壁厚管材的壁厚为δ0，待弯曲非均匀壁厚管材外侧壁厚为δw，且满足δw>δ0，待弯曲非均匀壁厚管材内侧壁厚为δn，且满足δn<δ0；
令弯曲成形后的外侧壁厚为δw1,且定满足δw1<δw，内侧壁厚为δn1，且满足δn1>δn；
令δ＝δw1＝δn1，求取δw及δn，即为非均匀壁厚管材弯曲前的管材外侧设计壁厚及管材内侧设计壁厚；其中，δ为均匀壁厚弯管的目标壁厚；
根据求取的δw及δn确定非均匀壁厚管材的尺寸，并进行弯曲成形，获得均匀壁厚的弯管段。
本实施例通过该非均匀壁厚管材弯曲成形方法，实现了管材弯曲后壁厚均匀的目的。
下面对本发明作进一步详细说明：
该方法是将初始待弯曲管材设计为非均匀壁厚，并实现管材弯曲后壁厚均匀的目的。
假设均匀壁厚管材的原始壁厚为δ0，将待弯曲非均匀壁厚管材外侧壁厚设计为δw，且满足δw>δ0。同理将待弯曲非均匀壁厚管材内侧壁厚设计为δn，且满足δn<δ0。对非均匀壁厚管材进行弯曲成形时，由于管材外侧受拉，令弯管成形后外侧壁厚为δw1,且定满足δw1<δw。同理，管材内侧受压，弯管成形后，令内侧壁厚为δn1，且满足δn1>δn。在此称δw1和δn1为非均匀壁厚管材弯曲成形后的外侧目标壁厚和内侧目标壁厚。称δw和δn为非均匀壁厚管材外侧设计壁厚和内侧设计壁厚。当满足δw1＝δn1时，即可实现弯管壁厚均匀的目的。令δ＝δw1＝δn1，其中，δ为均匀壁厚弯管的目标壁厚。
直管和弯管组合起来的复杂管道线路称为管系。在整个管系中，为了实现管系各处壁厚均匀，可令均匀壁厚弯管的目标壁厚δ等于直管段管材壁厚δ0。当均匀壁厚弯管的目标壁厚δ确定后，根据目标壁厚δ推导计算出非均匀壁厚管材的初始壁厚(设计壁厚)δw和δn，是非均匀壁厚管材弯曲成形法的核心步骤。非均匀壁厚管材的截面轮廓图如图1所示。
非均匀壁厚管材是由非均匀厚度的板材卷曲焊接而成的，其中参数δw、δn直接决定着非均匀壁厚管材的尺寸。非均匀壁厚管材弯曲成形法的最终目标是实现弯管的壁厚均匀，即等于目标壁厚为δ。难点在于如何根据目标壁厚δ推导计算出非均匀壁厚管材的内外侧设计壁厚δn、δw。非均匀壁厚管材弯曲成形过程中，其中性层偏移角α和扁平化程度会随着初始截面形状的变化而呈现出不同规律，同时，这些参数在管材弯曲过程中又制约着壁厚的变化。在此，对非均匀壁厚管材弯曲成形过程做两点假设：
(1)忽略截面扁平化的影响；
(2)非均匀壁厚管材截面内外轮廓均为圆。
非均匀壁厚管材截面尺寸如图3所示。
非均匀壁厚管材的截面内外轮廓分别由两个半径为r2和r1的圆构成，根据几何关系可得r1与r2之间的关系式为：
令半径为r1和r2两个圆的圆心分别为o1和o2，且o1与o2之间的距离为db，根据几何关系有：
db＝r1-r2-δn(2)
在图3中，中性轴l将管材截面分成a1'和a2'两个区域，圆心o1到中性轴l的距离为x1。以o1为原点，建立直角坐标系。
要想使式fn＝∫aσda＝0成立，就要满足中性轴两侧面积相等的关系。对于本实施例中的非均匀壁厚管材来说，有a1'＝a2'，根据a1'＝a2'建立方程：
式(3)中，y1和y2的表达式分别为：
本实施例的管材壁厚是非均匀的，为了确定弯管应变中性层的具体位置，需要将截面的初始形状因素考虑进去，即圆心o1到中性轴l的距离x1。
令r"为非均匀壁厚管材弯曲成形后应变中性层的曲率半径，r1'为应变中性层至弯管外侧的距离，r2'为应变中性层至弯管内侧的距离，成形后均匀壁厚弯管剖面尺寸图如图4所示。
根据几何变形条件可得：
式(6)中，r'、r1'、r2'的表达式分别为：
将式(1)、式(2)、式(3)、式(4)、式(5)、式(6)和式(7)连立方程，代入r，r1，δ，α的值，便可求解方程组可得:db，δn，δw，r2的值，从而确定待弯曲非均匀壁厚管材的尺寸。
根据螺旋焊管的加工成形原理可知，金属板材的厚度直接决定着加工后管材的厚度。对于均匀壁厚的管材来说，可以利用均匀壁厚的板材进行卷曲焊接加工。要想实现非均匀壁厚螺旋焊管的加工制造，就需要厚度不均一的板材进行卷曲焊接。根据非均匀壁厚管材内外侧的初始设计壁厚δw、δn及成形角β，便可计算出非均匀厚度板材厚度分布规律，如图2所示。
在图2中，厚度过度区域的厚度变化为线性变化。若成形后管材的直径为d，过度区域宽度w可表示为：
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。