萬能軋機(jī)軋制H型鋼的數(shù)值模擬分析_圖文

1、2005年12月December 2005鋼鐵研究Research on Iron &S teel第6期(總第147期N o.6(Sum147萬能軋機(jī)軋制H 型鋼的數(shù)值模擬分析喬兵1,徐旭東2(1.東北特鋼集團(tuán)公司技術(shù)中心,遼寧大連116000;2.東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧沈陽110004摘要:利用顯式動(dòng)力學(xué)有限元分析方法,模擬了H 型鋼在軋制過程中的變形情況,分析了影響金屬流動(dòng)過程的主要因素。研究結(jié)果表明,軋件的腿腰延伸比和腿寬對(duì)金屬的流動(dòng)趨勢(shì)有明顯的影響。關(guān)鍵詞:H 型鋼;有限元;金屬流動(dòng)中圖分類號(hào):TG 335.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1001-144

2、7(200506-0026-04ANA LYSIS ON NU MERICA L SIMU LATION OF H -BEAMR OLLING WITH UNIVERSA L MI LLQI AO Bing 1,X U Xu -dong 2(1.T echnology Center ,N ortheastern S pecial S teel C o.,Dalian ,116000,China ;2.The S tate K ey Lab of R olling T echnology and Automation ,N ortheastern University ,Shenyang 110

3、004,China Synopsis :The deformation of H -beam in rolling process was simulated by explicit dynamic FE M.Factors that in flu 2ence metal flow in the rolling process were analyzed.The research shows that the elongation ratio between flange and web and the width of flange had significant effects on th

4、e metal flow.K eyw ords :H -beam ;FE M;metal flow作者簡(jiǎn)介:喬兵(1968-,男,遼寧大連人,博士生,主要從事金屬材料性能研究.1前言H 型鋼斷面比較復(fù)雜,在軋制過程中影響金屬流動(dòng)的因素非常多,如何正確的分析這些因素對(duì)金屬流動(dòng)的影響,并有效的把分析結(jié)果應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)軋制規(guī)程的編制中去是現(xiàn)場(chǎng)的工程技術(shù)人員非常關(guān)心的問題。目前,關(guān)于這方面問題已經(jīng)進(jìn)行一些研究13,但還有待進(jìn)一步完善。本文通過顯式動(dòng)力學(xué)有限元模擬的方法,模擬了H 型鋼的軋制變形過程,找到了影響金屬流動(dòng)的幾個(gè)主要因素,認(rèn)真分析了這些因素對(duì)金屬流動(dòng)的影響趨勢(shì)。2顯式動(dòng)力學(xué)有限元原理設(shè)在t 時(shí)刻

5、的物體現(xiàn)時(shí)構(gòu)形為V ,物體V 發(fā)生變形時(shí)滿足下列基本方程4平衡方程:ij ,j +f i =u i ,tt +u i ,t 在V 中(1物理方程:ij =D ijkl kl(2應(yīng)力邊界條件:ij n j = T i 在S 上(3位移邊界條件:u i = u i 在S u 上(4其中S 為外力 T i 已知的表面;S u 為位移約束表面;ij 和kl 為應(yīng)力張量和應(yīng)變張量;f i 是單位體積力;為阻尼系數(shù); u i 是給定的位移; T i 是給定外力;D ijkl 是材料的彈塑性矩陣分量。u i ,tt 和u i ,t 分別是位移u i 對(duì)t 的二次導(dǎo)數(shù)和一次導(dǎo)數(shù),即分別表示i 方向的加速度和速

6、度。根據(jù)平衡方程和邊界條件的等效積分形式的G alerkin 提法,并帶入物理方程可得到V(ijD ijkl kl+u iu i ,tt+u iu i ,t d V =Vu i f id V +S u iT d S (562將位移空間離散,并注意到位移變分的任意性,最終得到系統(tǒng)的求解方程Ma(t+Cv(t+Ku(t=Q(t(6其中a(t和v(t分別是系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)加速度向量和節(jié)點(diǎn)速度向量,M,C,K和Q(t分別是系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣和節(jié)點(diǎn)載荷向量?？紤]到幾何非線性和忽略阻尼的影響,(6式應(yīng)改寫為M t+t a+(t K L+t K NLu=t+t Q-t F(7t KL=t v B

7、T L D t B L d V(8t KNL=t v B T NL t S t B NL d V(9t F=t V B T L t S d V(10在以上各式中t B L和t B NL分別是線性應(yīng)變和非線性應(yīng)變和位移的轉(zhuǎn)換矩陣,D是材料本構(gòu)矩陣,t S和t S是第二類Piola-K irchhoff應(yīng)力矩陣和向量。應(yīng)用中心差分法,加速度用位移表示為a(t=1t2(u t-t-2u t+u t+t(11將該式帶入(7式,中心差分法的遞推公式可表示如下:1t2Mt+t u=t Q-(t KL+t K NL-2t2Mt u-1t2Mt-t u(12求解該式就可以得到問題的解。3模擬計(jì)算條件把表1中第

8、2行上所示的各參數(shù)作為基本軋制參數(shù)。在計(jì)算某個(gè)參數(shù)的影響時(shí),按照表1改變這個(gè)參數(shù)的值(其中,軋前腿厚隨軋前腰厚的變化而變化,即:軋前腰厚取15mm,則軋前腿厚取25mm,軋前腰厚取35mm,則軋前腿厚取65mm,其它參數(shù)按照基本軋制參數(shù)固定不變。根據(jù)上述方法,依次逐個(gè)的變化各軋制參數(shù),從中發(fā)現(xiàn)影響金屬流動(dòng)的主要影響因素。H型鋼軋制前的狀態(tài)如圖1所示,-Z方向?yàn)檐堉品较?。?軋制參數(shù)軋前腰厚/mm 腰厚相對(duì)壓下率/%軋前腿厚/mm腿部相對(duì)壓下率/%腿寬/mm腿腰延伸比水平輥直徑/mm立輥直徑/mm157257.691000.9920660 25114512.22200 1.11120860351

9、56516.37300 1.413201 060圖1H型鋼軋制前的狀態(tài)4軋制過程中影響金屬流動(dòng)的主要因素分析4.1軋件腿寬對(duì)金屬流動(dòng)的影響軋件的腿寬分別取100mm和300mm進(jìn)行計(jì)算,其它參數(shù)按照基本軋制參數(shù)固定不變。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知:腿部較窄的軋件,如圖2(a所示,金屬沿X方向向軋件腰部中心流動(dòng)的能力相對(duì)較差,而腿部較寬的軋件,如圖2(b所示,金屬沿X方向向軋件腰部中心流動(dòng)的能力相對(duì)較強(qiáng)。沿軋制方向(-Z方向來看,腿部較窄的軋件如圖3 (a所示,腰部(靠近R部的金屬沿軋制方向流動(dòng)相對(duì)較慢,腿部較寬的軋件如圖3(b所示,R 部金屬沿軋制方向流動(dòng)較慢。根據(jù)最小阻力定律進(jìn)行分析,當(dāng)立輥對(duì)軋件腿部

10、進(jìn)行軋制時(shí),腿端是金屬流動(dòng)的自由端,腿部越窄,腰腿結(jié)合處(以下簡(jiǎn)稱R部的金屬距離自由端越近,就越容易向阻力小的腿端流動(dòng),而向腰部的流動(dòng)量就會(huì)減少,因此這時(shí)軋件的寬展較大。相反,腿部越寬,R部金屬距離腿端越遠(yuǎn),流動(dòng)阻力越大,導(dǎo)致金屬向腰部的流動(dòng)量較大,這時(shí)軋件的寬展較小。另外,由于水平輥輥面和側(cè)面存在速度差,腿部越窄,這種速度差越小,腰腿之間的拉力就會(huì)越小。同時(shí),由于立輥是被動(dòng)輥,腿部較窄的軋件,腿部與立輥的接觸寬度較窄,導(dǎo)致立輥軋制力相對(duì)較小,軋件很72 容易在主動(dòng)輥(水平輥的驅(qū)動(dòng)下向前運(yùn)動(dòng),因此腰腿之間的拉力相對(duì)來說較小。相反,對(duì)于腿部越寬的軋件,腰腿之間的拉力相對(duì)來說較大。腰腿之間拉力大就

11、會(huì)增加腿部金屬向?qū)挾确较蛄鲃?dòng)的阻力,軋件腿部的寬展就會(huì)減少。腿部寬展減少,則腿部延伸就會(huì)增加,腰部延伸相應(yīng)的也要增加,根據(jù)體積不變定律,R 部就會(huì)有金屬流向腰部,所以,腿部越寬的軋件,R 部向腰部流動(dòng)的金屬越多。沿軋制方向來看,R 部向腰稅流動(dòng)的金屬越多,則在R 部,金屬沿軋制方向流動(dòng)就會(huì)較慢,結(jié)果如圖3(b 所示 。(a (b 圖2腿寬不同的H 型鋼在X 方向的位移4.2腿腰延伸比的變化對(duì)金屬流動(dòng)的影響所謂腿腰延伸比是指軋件腿部絕對(duì)壓下率與腰部絕對(duì)壓下率之間的比值。該值是保證軋件腰部與腿部均勻延伸的系數(shù),在軋件腰腿厚度較薄時(shí),改變它會(huì)引起嚴(yán)重的產(chǎn)品缺陷,因此在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)軋件的腰腿厚度取的

12、相對(duì)大一些,即:初始腰厚取35mm ,初始腿厚取65mm ,軋后腰厚取31.15mm ,軋后腿厚取58.53mm 和55.21mm (對(duì)應(yīng)扣腿腰延伸比分別是0.9和1.4,其它參數(shù)如表1所示 。(a (b 圖3腿寬不同的H 型鋼在Z 方向的位移圖4(a 、圖5(a 表示腿腰延伸比為0.9時(shí)軋件沿X 和-Z 方向的位移。圖4(b 、圖5(b 代表腿腰延伸比為1.4時(shí)軋件沿X 和-Z 方向的位移。根據(jù)計(jì)算結(jié)果:腿腰延伸比大,則R 部向腰部流動(dòng)的金屬多(如圖4(b 所示,沿軋制方向R 部金屬流動(dòng)緩慢(如圖5(b 所示。分析可知:軋制過程中,采用較小的腰部壓下率或較大的腿部壓下率可以獲得較大的腿腰延伸

13、比。由于軋件作為一個(gè)整體并且總長(zhǎng)度較長(zhǎng),由頭部與尾部的不均勻延伸而造成的軋件中部的腰腿之間的不均勻延伸可以忽略不計(jì),可以認(rèn)為,在軋制過程中,軋件腰部的延伸與腿部的延伸保持一致,當(dāng)然,由于頭部與尾部存在不均勻變形,沿軋制方向,軋件腰部與腿部的位移量(變形后不可能相同。腿腰延伸比大說明軋件腿部的延伸趨勢(shì)要大于腰部的延伸趨勢(shì),但為了達(dá)到腰腿延伸的一致性,腰部的延伸需要增加,腿部的延伸需要減少。根據(jù)體積不變定律,腰部延伸增加,則R 部向腰部流動(dòng)的金屬就會(huì)增加,結(jié)果如圖4(b 所示。另外,同樣根據(jù)體積不變定律,腿部延伸減少,腿部寬展就會(huì)增加,所以,當(dāng)腿腰延伸比較大時(shí),軋件的寬展系數(shù)就會(huì)較大。R 部金屬向

14、腰部流動(dòng)的越多,根據(jù)體積不變82定律,R 部金屬沿軋制方向(-Z 方向流動(dòng)量就會(huì)越少。所以如圖5(b 所示,金屬在流動(dòng)過程中,腿腰延伸比越大的軋件,R 部金屬沿軋制方向流動(dòng)的越緩慢。 5結(jié)論軋件腿寬和腿腰延伸比是影響金屬的流動(dòng)的兩個(gè)最主要的因素。根據(jù)計(jì)算結(jié)果和金屬流動(dòng)情況分析可知:(1腿部越寬的軋件,R 部金屬向軋件腰部流動(dòng)的趨勢(shì)越強(qiáng),沿軋制方向流動(dòng)越緩慢,軋件寬展系數(shù)越低。(2腿腰延伸比越大的軋件,R 部金屬向腰部流動(dòng)的趨勢(shì)越強(qiáng),沿軋制方向流動(dòng)越緩慢,軋件寬展系數(shù)大。參考文獻(xiàn)1K azutake K om ori.S imulation of deformation and tem pera

15、ture inmulti -pass H -shape rollingJ .Journal of M aterials processing T echnology ,2000,105:2431.2金曉光.萬能孔型中軋制H 型鋼時(shí)金屬的橫向流動(dòng)J .鋼鐵研究學(xué)報(bào),1998,10(6:2023.3卜勇力.H 型鋼軋制過程三維彈塑性大變形有限元模擬J .鋼鐵研究學(xué)報(bào),1999,11(4:2225.4王勖成,邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法M.北京:清華大學(xué)出版社,2001.(收稿日期:2004-11-21(上接第16頁7結(jié)束語(1采用釩鐵+富氮?jiǎng)┪⒑辖鸹疕RB400能夠滿足生產(chǎn)需要,并且強(qiáng)度有較大的富余。(2此增氮?jiǎng)┟繃嶄摷尤?.07kg ,可對(duì)鋼水