（机械设计及理论专业论文）薄带连铸试验轧机力能参数计算及强度分析.pdf

-_-r，。，i，。to；。 ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y m e c h a n i c a lp a r a m e t e r sc a l c u l a t i o na n ds t r e n g t h a n a l y s i so ne x p e r i m e n t a lr o l l i n gm i l lf o rt h i n s t r i pc o n t i n u o u sc a s t i n g b yw uy u n x i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rs u n d a l e p r o f e s s o rc h e nl i a n g y u n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导f 完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名：疹进乡， 日期：h 力善、7 争 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：办立乡， 签字日期：加卯7 ，争 导师签名： 签字日期：d 扔一。7 。o 钐 妒i。基 y ；0 二a ， 东北大学硕士学位论文 摘要 薄带连铸试验轧机力能参数计算及强度分析 摘要 为满足新产品、新工艺、新技术研究和开发的需要，宝钢在薄带连铸中试线铸机 后增设一台试验轧机，用于在线将铸带轧制成规定的厚度。开展薄带连铸试验轧机的 研究工作对于轧机的选型、轧机的刚度设计、零部件的强度评价具有重要的实际参考 价值。本文运用轧制理论、材料力学、弹性力学、程序开发技术及有限元理论等基础 理论和技术对试验轧机的g l 带s j 力能参数、机架、工作辊和轧辊辊系开展了比较深入的 研究。 轧制力能参数是轧机设计时轧机刚度计算和零部件强度分析和校核的基础，同时 也是轧机选型的重要依据。本文首先根据薄带连铸工艺的特点，分析了影响轧机力能 参数的各种物理因素，以轧制理论为基础建立了薄带轧制过程的力能参数计算模型， 按照面向对象的程序设计思想，编制了可视化的轧制力能参数计算程序，利用该程序 计算了薄带连铸试验轧机的轧制力能参数，确定了轧机机型。 根据材料力学、弹性力学理论，对轧机机架、轧辊辊系、压下系统、支撑辊轴承 座、垫板等部件的弹性变形进行了分析，建立了薄带连铸试验轧机的刚度系数计算模 型，以轧机刚度系数计算模型为基础，编制了轧机刚度的可视化计算程序，利用该程 序计算了试验轧机的刚度系数，校核了轧机刚度，提高了轧机设计计算的效率和准确 性。 轧机具有足够的强度是保证进行正常轧制的必要条件。本文开展了薄带连铸试验 轧机机架和工作辊的有限元建模和计算，对其进行了强度分析和校核。建立了工作辊 和支承辊在最大轧制力压靠状态下的有限元模型，对其进行了非线性有限元计算和分 析，得出了辊系等效应力的分布规律和轧辊辊面的最大等效应力，结果表明最大等效 应力在许用应力范围之内，完成了薄带连铸试验轧机的强度分析。 关键词：薄带连铸试验轧机；力能参数；轧机刚度；强度；有限元分析 一i i 矿 4 孵，j；lj曩 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t m e c h a n i c a lp a r a m e t e r sc a l c u l a t i o na n ds t r e n g t ha n a l y s i so n e x p e r i m e n t a lr o l l i n gm i l lf o rt h i ns t r i pc o n t i n u o u sc a s t i n g a bs t r a c t f o rt h en e e d so fd e v e l o p m e n t sa n dr e s e a r c h e so nn e wp r o d u c t s ，n e wp r o c e s sa n dn e w t e c h n i q u e ，o n ee x p e r i m e n t a lr o l l i n gm i l lw h i c hi su s e df o rr o l l i n gs t e e lw i t hg i v e nt h i c k n e s s i si n c r e a s e db e h i n dt h ec o n t i n u o u sc a s t e ri nt h i ns t r i pc o n t i n u o u sc a s t i n gl i n eb yb a o s t e e l i t h a sv e r yi m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u et om a k er e s e a r c h e so nt h ee x p e r i m e n t a lr o l l i n gm i l lf o r t y p es e l e c t i o no fr o l l i n gm i l l ，s t i f f n e s sd e s i g no f t h eh o u s i n g ，s t r e n g t he v a l u a t i o no fp a r t s i n t h i sp a p e r , s o m ed e e pr e s e a r c h e so nm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s ，m i l lh o u s i n g ，w o r kr o l la n dr o l l s y s t e mh a v eb e e nm a d et h r o u g ht h er o l l i n gt h e o r y , m a t e r i a lm e c h a n i c s ，e l a s t i cm e c h a n i c s ， f i n i t ee l e m e n tt h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fp r o g r a md e v e l o p m e n t t h em e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o l l i n gm i l la r et h ef o u n d a t i o n sa b o u tc a l c u l a t i o no f s t a n ds t i f f n e s sa n da n a l y s i sa n dc h e c ko fp a r t s ，a n da tt h es a m et i m e ，t h e ya r et h e f o u n d a t i o n so ft y p es e l e c t i o no fr o l l i n gm i l l f i r s t ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so ft h i ns t r i p c a s t i n gp r o c e s s ，a l l k i n d so fp h y s i c a lf a c t o r s i n f l u e n c i n gd e f o r m a t i o n r e s i s t a n c ea r e a n a l y s e d b a s e do nr o l l i n gt h e o r y , m e c h a n i c a lp a r a m e t e r sm o d e l sa b o u tt h i ns t r i pr o l l i n g p r o c e s sa r ee s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h et h o u g h to fo b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，av i s u a l p r o g r a m f o rm e c h a n i c a lp a r a m e t e r sc a l c u l a t i o ni sd e v e l o p e d ，a n dt h em e c h a n i c a l p a r a m e t e r so ft h ee x p e r i m e n t a lr o l l i n gm i l la r ec a l c u l a t e dt h r o u g ht h i sp r o g r a m b a s e do n t h er e s u l t s ，t h et y p eo f e x p e r i m e n t a lr o l l i n gm i l li ss e l e c t e d b a s e do nt h et h e o r i e so fm a t e r i a lm e c h a n i c sa n de l a s t i cm e c h a n i c s ，e l a s t i cd e f o r m a t i o n o ft h ep a r t ss u c ha st h ef l a m e ，r o l ls y s t e m ，p r e s sd o w ns y s t e m ，b e a r i n gs e a t sa n db a c k u p p l a t e si sa n a l y s e d ah o u s i n gs t i f f n e s s m o d e la b o u tt h ee x p e r i m e n t a lr o l l i n gm i l li s e s t a b l i s h e d b a s e do nt h i sm o d e l ，av i s i b l ep r o g r a mf o rh o u s i n gs t i f f n e s sc a l c u l a t i o ni s d e v e l o p e d t h eh o u s i n gs t i f f n e s sc o e f f i c i e n ti sc a l c u l a t e da n dc h e c k e dt h r o u g ht h i sp r o g r a m ac o n c l u s i o nt h a tt h eh o u s i n gs t i f f n e s sm e e t st h ed e s i g n e dn e e di sg a i n e d i nt h i sw a y , t h e e f f i c i e n c ya n da c c u r a c ya b o u tr o l l i n gm i l l i n gd e s i g ni se n h a n c e d a r o l l i n gm i l lw i t hs u f f i c i e n ts t r e n g t hi st h en e c e s s a r yc o n d i t i o no fn o r m a lr o l l i n g i n t h i sp a p e r , af i n i t ee l e m e n tm o d e la b o u tt h ef l a m ea n dw o r kr o l lo ft h ee x p e r i m e n t a lr o l l i n g t t t - 东北大学硕士学位论文 h b s t r a c t m i l li se s t a b l i s h e da n dc a l c u l a t e d ，a n dt h es t r e s sf i e l da n dd i s p l a c e m e n tf i e l da r eo b t a i n e d f u r t h e r m o r e ，t h es t r e n g t ha b o u tt h ef r a m ea n dw o r kr o l li sa n a l y s e da n dc h e c k e d u n d e rt h e m a x i m a lr o l l i n gf o r c e ，af i n i t ee l e m e n tm o d e la b o u tw o r kr o l la n db a c k u pr o l lw a s e s t a b l i s h e d ，a n dt h ed i s t r i b u t i o no fe q u i v a l e n ts t r e s sa n dm a x i m a le q u i v a l e n ts t r e s sa r e o b t a i n e db yn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h ea n a l y s i sr e s u l t si n d i c a t et h a tt h em a x i m a l e q u i v a l e n t i si nt h e r a n g eo fp e r m i s s i b l e s t r e s s t h es t r e n g t h a n a l y s e s a b o u tt h e e x p e r i m e n t a lr o l l i n gm i l lf o rt h i ns l a pc a s t i n ga r ec o m p l e t e d k e yw o r d s ：e x p e r i m e n t a lr o l l i n gm i l lf o rt h i ns l a pc a s t i n g ；m e c h a n i c a lp a r a m e t e r s ；h o u s i n g s t i f f n e s s ；s t r e n g t h ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s -ph，t 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t ：i i i 第1 章绪论l 1 1 轧制力能参数的国内外研究进展1 1 1 1 轧制力能参数研究的解析方法进展1 1 1 1 1 工程计算法l 1 1 1 2 滑移线法2 1 1 1 3 变分法3 1 1 1 4 上界法3 1 1 2 轧制力能参数研究的数值方法进展4 1 1 2 1 有限元法4 1 1 2 2 边界元法5 1 1 2 3 条元法6 1 2 轧机机架的研究现状6 1 3 轧辊强度的研究现状8 1 4 研究背景与研究意义9 1 5 研究内容及技术路线9 1 5 1 研究内容一9 1 5 2 技术路线1 0 第2 章轧制力能参数计算及程序实现1 1 2 1 轧制压力数学模型的建立11 2 1 1 平均单位压力计算模型1 1 2 1 1 1 前滑区单位压力计算模型1 1 2 1 1 2 后滑区单位压力计算模型1 3 2 1 1 3 中性角计算公式1 3 v 一 东北大学硕士学位论文目录 2 1 1 4 接触面积上平均单位压力的计算1 4 2 1 1 5 外摩擦应力状态系数的简化1 5 2 1 2 变形抗力的确定1 6 2 1 2 1 变形程度的确定16 2 1 2 2 变形温度的确定16 2 1 2 3 变形速度的确定1 6 2 1 2 4 变形抗力模型的确定。1 7 2 1 3 轧制力计算模型的确定1 8 2 1 4 轧制力计算模型的解法19 2 2 轧制力矩模型的确定1 9 2 3 轧制功率模型的确定2 0 2 4 轧制力能参数计算的程序实现及计算结果2 2 2 4 1 轧制力能参数计算的程序实现2 2 2 4 2 轧制力能参数计算结果2 4 2 5 小结2 5 第3 章轧机刚度系数的理论计算及程序实现2 6 3 1 轧机部件弹性变形的理论计算2 6 3 1 1 机架的弹性变形计算2 7 3 1 1 1 机架横梁截面上的弯矩计算2 7 3 1 1 2 机架的弹性变形计算3 0 3 1 2 辊系的弹性变形计算31 3 1 2 1 支承辊的弹性变形计算3 2 3 1 2 2 工作辊与支承辊的弹性压扁变形计算3 5 3 1 2 3 工作辊的弹性压扁变形计算3 6 3 1 3 轴承座的弹性变形计算3 6 3 1 4 轴承调心垫板的弹性变形计算3 7 3 1 5 阶梯垫板的弹性变形计算3 8 3 1 6 压下系统的弹性变形计算3 8 3 2 轧机刚度计算的程序实现3 9 3 2 1 轧机刚度系数3 9 3 2 2 轧机刚度计算的程序实现3 9 。v i 东北大学硕士学位论文 目录 3 3 轧机刚度系数计算结果及刚度校核4 2 3 4 小结4 3 第4 章机架和轧辊的有限元计算和强度分析4 4 4 1 机架的有限元计算和强度分析4 4 4 1 1 有限元模型的建立4 4 4 1 2 边界条件4 5 4 1 - 3 有限元计算结果及分析4 6 4 1 4 机架强度校核4 8 4 2 工作辊扁头和卡环的有限元计算和强度分析4 8 4 2 1 有限元模型的建立4 8 4 2 2 边界条件4 9 4 2 2 1 工作辊传递扭矩的计算4 9 4 2 2 2 工作辊传动端传递扭矩5 0 4 2 3 求解结果分析5 1 4 2 4 强度的校核5 3 4 3 工作辊与支承辊之间的接触分析5 3 4 3 1 有限元模型的建立5 4 4 3 2 边界条件5 4 4 3 3 求解结果及强度分析5 5 4 4 小结5 8 第5 章结论5 9 参考文献6 0 致谢6 4 一v i i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 带钢生产是十分关键的钢铁生产工序之一，热轧及冷轧带钢是汽车、家电、交通、 建筑、化工等工业不可缺少的原料，在国民经济中占有重要的地位。带材生产比重的 日益增长是现代化轧钢生产发展的一个重要趋势。 轧机是带钢生产的关键设备，随着带钢市场空间的扩大和产品质量要求的不断提 高，对轧机的设备性能和使用条件提出了更高的要求，轧机具有良好的性能已成为板 带稳定生产的必然要求。 1 1 轧制力能参数的国内外研究进展 轧制问题是一个多物体接触的弹塑性问题，轧制力能参数是实现轧制工艺、轧机 自动控制和轧机设计的关键。 轧制力能参数的理论研究方法分为两类：一类是解析法；另一类是数值法。其中 解析法主要有：工程计算法，滑移线法，上界法，变分法；数值法主要有：有限元法， 边界元法，条元法。 1 1 1 轧制力能参数研究的解析方法进展 1 1 1 1 工程计算法 工程计算法的理论【l _ 2 1 是以著名的卡尔曼平衡微分方程为开端的，它是基于稳定变 形和平面应变为前提的，其理论的出发点基于两种假设：( 1 ) 接触弧长大大超过轧件 在变形区内的平均高度，( 2 ) 轧件宽度远大于接触弧长。这样他把轧制的三维问题看 作是平面应变问题求解，在变形区内任取一个微分体，分析作用在微分体上的各种力， 将各力通过微分方程联系起来，建立单位微分方程，利用边界条件求得解析解。 在卡尔曼的基础上，采利科夫、布兰德福特等又对接触弧上的摩擦条件及接触弧 形状采取了不同的处理方法，推导了不同的理论计算公式。这些公式由于所给定的假 设条件仅符合于冷轧薄板情况，因此都被认为是只适合于计算冷轧薄板时的力能参数。 但是对于大多数热轧板带及初轧开坯轧机来说，轧件在变形区内的变形不符合平 面断面假设，而属于不均匀变形。 奥罗万提出了考虑轧件不均匀变形的理论，认为整个变形区都产生滑动，分为前 滑区和后滑区，并认为轧件与轧辊之间是否产生相对滑动取决于单位摩擦力的大小。 当摩擦力小于材料的剪切屈服极限时产生相对滑动；反之则不产生相对滑动而出现粘 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 着，并认为热轧时产生粘着现象。由此他推导出了考虑轧件不均匀变形的单位压力平 衡微分方程。奥罗万方程奠定了平辊热轧轧制的理论基础。 西姆斯以奥罗万理论为基础，求得了奥罗万方程的一种近似解，被广泛地用在热 轧板带轧机的力能参数计算上。m d 斯通把车l a , j 看作是两平面块体的压缩，提出了考 虑轧辊压扁时的冷轧平均压力的计算方法。库克一迈克拉姆提出了计算轧制力和力矩的 图形法，这种方法也被称为b i s r a 法。福特亚历山大考虑了轧辊接触弧长之外变形 区的扩展，推导了热轧时轧制力计算的理论公式。 以上这些理论形成了以工程计算法为核心的经典轧制理论体系。其他的轧制力能 参数计算理论一般都是以这些经典理论为基础推导出来的。 m k a z e m i n e z h a d 等【3 】考虑了在轧制过程中轧辊和线材接触面宽度的变化，得到了 线材轧制的摩擦系数、压下量及屈服应力对轧制压力分布和轧制总压力的影响关系。 吕程、矫志杰等【4 】研究了b l a n d f o r d h i l l 冷轧带钢轧制力计算公式和h i t c h c o c k 车l 辊 压扁计算公式之间耦合关系，推导了他们的显式计算公式。戚向东【5 】等完成了考虑轧件 弹性变形时冷轧薄板单位轧制压力和接触弧长的精确求解，求解时他进一步考虑了粘 着区对单位轧制压力的影响。王伟【6 】等用粘着摩擦和滑动摩擦的混合摩擦模型，研究 了冷轧薄板轧制力预报问题，建立了轧制力预报新模型，并用实测值验证了新模型的 正确性。张敬熙【j 7 】分别利用带刻槽的冲头和平面冲头对板材进行深冲，计算两种情况 下的接触压力，并确定了孔型影响系数，推导出孔型热轧时轧制力的实用计算公式。 周韶华、徐伟等【8 】对双锥辊轴向轧机轧制环件和盘件时的接触面投影面积计算公式进 行了推导，并进一步推导了计算扭矩和功率的理论公式。 这些解析方法在轧制过程的分析及生产实践中作出了很大的贡献，由这些理论得 出的简化公式可以比较简单地求解出生产控制中所需的轧制力、力矩等力能参数，并 且能够满足工程需要。但由于计算时都采用一定的假设条件，在实际使用时需合理选 择合适的公式。 1 1 1 2 滑移线法 滑移线理论【9 】于2 0 世纪5 0 年代中期开始应用到轧制问题上；滑移线理论主要求解 的是平面变形问题。金属的塑性变形主要是由于晶粒内的滑移和孪晶，变形沿最大剪 应力方向进行。最大剪应力作用的方向是塑性变形流动的方向，称为滑移线。将塑性 变形区内各点最大剪应力的方向连成曲线，得到正交曲线，称为滑移线场。金属的屈 服剪应力在塑性变形区内是不变的，当主剪应力值达到屈服应力时，沿着滑移线就会 发生塑性变形。作出滑移线场后，沿着滑移线应用h e n k y 应力方程，可以得出静水压 力与滑移线转角的变化规律，从而确定塑性区内各点的应力分布。滑移线法的重要成 。2 - z _ 一 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 是能够求出平面变形状态下变形区各点的应力分布。 柴晓艳【1 0 】根据三辊轧管机的轧制变形特点，应用滑移线方法，推导了三辊轧管机的 轧制压力计算公式，运用该公式进行计算的结果得到了实验验证。 1 1 1 3 变分法 变分法【1 1 】又称能量法，h 见塔尔诺夫斯基及b k 斯米尔诺夫等人开始把变分法运 用到轧制问题的研究中。用变分法求解轧制力能参数和变形区参数时，为了简化计算， 一般将单位摩擦力沿接触面取为平均值。求解时，先设定含有待定系数的描绘变形区 几何模型和进行金属流动速度的参数方程，用计算机对这些方程求解。可求得延伸系 数、宽展系数、轧制力、轧制力矩等。 黄传清【1 2 】等用修正的变分法求解了辊缝中金属横向流动的位移模式，较准确的计 算了金属前后张力的横向分布。郭剑波，连家创等【1 3 】考虑了p c 机轧辊交叉对轧制力 的影响，利用能量变分法和秒流量相等的原则计算出了前后张应力分布，并以张力分 布为边界条件计算了总的轧制力值。金晓光，刘玉礼等【1 4 】运用刚塑性变分原理对h 型 钢在万能孔型中的轧制过程进行了分析，建立了金属变形的分析模型，研究结果表明 压下率配比对翼缘和腹板之间金属横向流动的流向和流量有很大影响。 1 1 1 4 上界法 上界法【9 】于2 0 世纪七十年代开始被应用于求解轧制问题。上界法的基本思想是对 刚塑性材料的变形区内部虚拟一个满足几何方程、体积不变条件和速度边界条件的运 动许可速度场，但这个场不一定满足力平衡微分方程和边界条件，根据虚功原理和最 大塑性功原理所确定的功率与实际功率相比给出上界值。由此上界功率求出的变形力 就是变形力的上界。这种方法只能给出解的区域，计算结果的精度决定于运动许可速 度场的模拟。对于一些典型问题能给出精度较高的解。 王振范【1 5 】等采用上界法对平辊轧制问题进行了解析，建立了三维流函数速度场， 考虑了宽展、辊径及摩擦因子对相对单位力的影响，解析计算结果与试验结果基本相 符。王军声【1 6 】等通过积分的方法用平辊速度场来描述楔形辊面的速度场，利用上界法 计算了连铸板坯在切分车l a , j 成品孔型中的轧制力矩。张芳萍、孙斌煜等【1 7 】根据钢管塑 性变形原理及张减变形理论，利用上限法计算了钢管张减轧制过程的轧制力，并得到 了实验验证。周存龙、姚开云等【l8 】利用上界法将l 型截面环件在g l n 过程中的塑性变 形区分为三块，建立各单元块的速度场，最后计算了环件的轧制力。 3 一 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 1 1 2 轧制力能参数研究的数值方法进展 1 1 2 1 有限元法 有限元法【1 9 】是近半个世纪发展起来的有效的数值方法，它突破了解析方法不可逾 越的障碍，使许多复杂的问题得到了满意的解答。有限单元法的基本思想早在2 0 世纪 4 0 年代就已出现，1 9 4 3 年数学家c o u r a n t 第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连 续函数的最小位能原理来解s t v e n a n t 扭转问题，但真正用于工程中则是在电子计算机 出现以后。1 9 6 0 年美国的c l o u g h 进一步处理了平面弹性问题，并首次提出了“有限单元 法”这个名称。4 0 多年来有限单元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到稳定性问题、 动力问题和波动问题，分析的对象从弹性材料扩展到塑性材料、粘弹性、粘塑性和复 合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学以及电磁学等领域。 金属轧制过程是一个非常复杂的弹塑性大变形过程，既有材料非线性、几何非线 性，又有边界接触条件的非线性，其变形机理比较复杂。随着轧制技术的日益发展， 人们对轧制过程中轧件的变形规律和变形力学的分析越来越重视，有限元法已成为一 种被广泛应用于轧制过程的最为有效的数值计算方法。 近几年来，随着计算机硬件技术的飞速发展以及计算机成本的迅速下降，高性能 计算机出现，这极大的带动了有限元计算软件的发展，为利用有限元法解决各类实际 问题提供了广阔的平台。目前，比较有影响的有限元计算软件主要有a b a q u s 、 m s c m a r c 、a n s y s 、a n s y s l s d y n a 、a l g o r 等。这就为人们对轧制问题的研究 提供了一些更为有高效的分析工具。 在对金属进行轧制过程相关问题的研究计算时，根据金属材料本构方程的不同， 将有限元法分为弹塑性有限元、刚塑性有限元和粘塑性有限元这三种方法【2 0 1 。国内外 不少学者利用有限元法对轧制过程的力能参数进行了大量的分析和研究，得到了一批 很有价值的成果。 刘才等【2 l 】用三维大变形弹塑性有限元法，对薄板带材在连轧过程中的金属流动规 律以及应力场进行了模拟分析。文中提出了两元修正的悬浮摩擦层方法，解决了轧制 过程中金属表面和轧辊问的接触摩擦问题，对连轧过程中张力对金属变形的影响规律 进行了系统的研究。朱光明 2 2 】等采用弹塑性大变形有限元法对板带轧制过程中变形区 内摩擦力的分布进行了模拟，分析了不同轧制工况下各种因素对摩擦力分布的影响， 得出了摩擦力大小、中性点位置、接触弧长及前、后滑区长度随各种因素的变化规律。 张国民【2 3 】等利用显式动力学有限元法模拟了三维弹塑性板带轧制过程中变形区的轧 制力分布，模拟结果表明轧制力分布与试验结果是相符的。时旭【2 4 】等采用弹塑性有限 4 ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 元方法对冷轧板带过程中的轧制力进行了模拟，研究了接触摩擦的改变对轧制力的影 响，给出了g l 带, j 力、摩擦力沿接触弧的分布及接触摩擦力与轧制力的关系。将模拟结 果与实测结果做了对比，证明了计算模型的精确性和可靠性。束学道【2 5 ，2 6 】等利用有限 元法较系统地分析和计算了大型横楔轧机在轧制过程中的轧制力和轧制力矩，阐明了 各工艺参数对轧制力矩的影响规律。 t a k a a k ii g u c h i 2 7 】等运用刚塑性有限元法对轧件表面的金属流动速度分别进行了 二维和三维模拟分析，得到了粘着区、滑动区内摩擦力和相对滑动速度的分布规律。 y o u n g s o oy e a 2 8 】等利用刚塑性有限元法对环件轧制过程进行了模拟，分别对普通环扎 和t 型环件进行了建模分析，得到了环件轧制过程中的应力分布规律，计算结果表明 其轧制力分布和试验结果是一致的。s a a a k b a r im o u s a v i t 2 9 】等采用有限元法分别模拟 了对称轧制和非对称轧制的轧制过程，得出了轧辊角速度比率与轧制力、轧制扭矩之 间的定性关系，得到了轧件产生零弯曲及实现轧制力最小的参数最佳条件。z y j i a n g 3 0 , 3 1 1 等利用三维刚塑性有限元法对冷轧板带轧制过程进行了模拟，考虑了轧制咬 入区不同的摩擦力情况，研究了轧制力分布、轧制扭矩、前滑与不同摩擦力模型的相 互关系。a k t i e u 3 2 】等利用刚粘塑性有限元法分别对热轧带钢时有无润滑这两种条件 的轧制过程进行了模拟，得到了轧制力同摩擦力方向和轧制速度的关系。x i a n g h u a l i u 3 3 】等利用三维弹塑性有限元法对四辊轧机冷轧带钢轧制过程进行了模拟，研究了 轧制压力沿板带宽度方向上的分布规律，得到了不同轧制条件下轧制力的峰值和位置。 s g x u 3 4 】等对环件轧制过程进行了三维有限元模拟，考虑了轧件弯曲、轧辊直径不等 的因素，得到了轧制力沿变形区接触弧长的分布规律。 1 1 2 2 边界元法 近几年来，关于轧制力能参数的研究取得了新的进展，出现了研究轧制力能参数 的边界元法( b e m ) 。边界元法【3 5 1 是继有限元之后发展起来的一种工程数值方法。边 界元的基本思想是利用g r e e n 公式或加权余量法，将控制方程转化为等价的边界方程， 求得边界上的未知数后，能够计算域内任一点的物理量。与有限元相比，边界元具有 单元和未知数少，数据准备量少，求解精度高等优点。但是，边界元的应用也有其局 限性，它没有成熟和普及的计算程序，方程组系数的积分计算需要花费大量的时间。 另外用边界元求解问题时，要求定解问题的微分方程是常系数椭圆形方程，其单位奇 异基本解的解析表达式往往很难找到。 边界元法有以下几个特点： ( 1 ) 由于仅在边界离散化，未知量大为减少； ( 2 ) 对计算对象的域内仅求解任何需要的点和剖面物理量，不必对所有单元进 - 5 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 行计算； ( 3 ) 边界上的面力和位移一并计算，其计算精度较高； ( 4 ) 计算准备工作大量减少； ( 5 ) 可计算无限大连续体和半无限连续体问题； ( 6 ) 特别适合求解应力集中问题。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 制过程中，轧件作用在轧辊上的力通过轧辊轴承座、压下装置传给机架，机架承受着 全部的轧制力，其强度和变形直接影响设备的可靠性和产品的轧制精度，因而机架必 须具有足够的强度和刚度。因此，在设计新轧机和进行轧机事故分析时，轧机机架是 人们重点研究的对象。 当对轧机机架进行设计及事故分析时，需要确定机架的危险部位和刚度，但由于 轧机机架的实际结构和受力情况十分复杂，按照经典力学方法无法求出机架各部位受 力和变形的精确解，传统方法一般是将轧机机架简化为各种矩形框架或曲梁框架，采 用材料力学、结构力学及光测弹性力学实验等分析手段分析研究简化后的机架及光测 弹性力学实验等分析手段分析研究简化后的机架。 英、美、日等国多使用凯勒提出的静不定刚架计算方法，或是m d 斯通方法，以 及这些方法的扩展。苏联、东欧各国以及我国前一时期，多采用a h 采利柯夫的计算 方法【1 1 。在利用这些方法求解时，由于对其结构进行了过分的简化，其计算分析的结 果是粗略的。因为作为一种计算方法和工具，材料力学或结构力学只能给出简单结构 的某些局部的应力，而无法精确地求出各危险部位或关键部位等处的应力水平和应力 集中状况，也就是说采用材料力学或结构力学的方法是很难得到整个机架真实的应力 与变形分布规律的。 光弹性试验虽然能测出整个机架的全部应力分布情况，但试验成本比较高，精度 也比较差，从而限制了其广泛应用。 近些年来，对于重要和结构复杂的轧机机架，人们在设计和事故分析时都采用有 限元法进行分析计算。采用这种方法，能够建立起机架的三维有限元模型，可以得到 整个机架的三维应力场分布，能够准确真实地反映出机架关键部位的应力水平，从而 大大提高了计算结果的准确度和可信度。 李友荣【4 6 】等采用a n s y s 程序对1 0 0 0 初轧机机架进行了三维有限元分析，得出压下 螺母孔承压面圆角附近存在严重的应力集中，是轧机强度的薄弱部位的结论。范俭1 4 7 j 等将6 5 0 型半闭口式轧机机架的u 型架、上横梁和楔块看作是接触连接进行整体分析， 根据接触理论进行有限元计算，得出了最大接触应力，确定了最大应力的位置及机架 的纵向变形，给出了机架设计合理的结论。王俊岭【4 8 】应用s a p 5 程序，对4 2 0 0 5 , 机机架 进行了三维有限元分析计算，对螺母孔处的圆角半径和位置进行了7 种方案的分析计 算，得出了轧机的危险点是压下螺母孔过渡圆角与机架对称平面相交点的结论。张绍 松等【4 9 】利用s a p 5 程序对大连钢铁集团有限责任公司的6 5 0 车l , 机机架强度进行了有限元 分析计算，找出了机架的薄弱部位，认为牛腿直角弯处有强烈的集中现象，并在机架 加工工艺方面给出了减小应力集中的建议。于晓光【5 0 】等利用s u p e r s a p 9 1 对鞍钢新改 - 7 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 造的p c 轧机进行了有限元分析，重点分析了机架立柱的孔槽区域，得出了立柱上通孔 是受力危险点的结论。王幼华等【5 1 】利用s u p e r - s a p 9 1 结构有限元分析综合程序系统， 以正常轧制力和峰值轧制力两种载荷工况对小型轧机闭式机架进行了三维有限元的强 度和刚度分析，得到了在两种轧制力作用下机架的变形和应力分布规律。赵如刚5 2 】 等利用a n s y s 软件，采用8 节点等参单元对5 5 0 粗轧机进行了有限元分析，他把机架 看成平面问题处理，得到了机架窗口的最大伸长量，经计算分析认为机架的上下转角 部位存在着明显的应力集中。姜世平【5 3 】等利用a n s y s 软件对1 5 0 0 m m 六辊冷连轧机机 架进行了受力分析，计算了单机架的应力场和位移场，得出了机架最大应力位于机架 底部与地面连接部位的结论。孙占刚【5 4 】等利用a n s y s 软件对轧机闭式机架结构进行了 优化设计，并利用惩罚函数法进行了优化，获得了较理想的设计参数。 1 3 轧辊强度的研究现状 轧辊是轧机的主要部件，轧辊工作环境恶劣，受到高温、重载、冲击、交变的拉 压应力和扭转应力等复杂因素的影响，易产生断辊事故，因而保证轧辊具有足够的强 度是实现轧钢安全生产的重要措施。 轧辊由辊身、辊颈和辊头三部分组成。辊颈安装在轴承中，并通过轴承座和压下 装置把轧制力传给机架。轴头与轧机接轴相连，传递轧制扭矩。 通常将材料力学和经验公式相结合，并按照给定的载荷和轧辊参数对轧辊进行强 度分析和校核。由于对影响轧辊强度的各种因素如温度应力、残余应力、冲击应力等 很难做出准确计算，因此，设计时对轧辊的弯曲和扭转不进行疲劳校核，而是将这些 因素的影响纳入轧辊的安全系数中。若为四辊板带轧机，要防止轧辊辊面的剥落，还 要对工作辊和支承辊之间的接触应力作强度校核 5 5 1 。除了利用材料力学和经验公式对 轧辊进行理论分析外，光弹试验法也是研究轧辊的一种手段。 关于轧辊强度，科研工作者开展了大量的研究工作。金晓光【5 6 】利用经验公式法， 对鞍钢厚板厂厚板轧机的轧辊扁头进行了强度计算和校核，得出的结论是：轧辊扁头 断裂原因是扁头根部存在应力集中，使用时间过久达到了疲劳极限。唐君【5 7 】用材料力 学的方法对双线轧制时粗、中轧轧辊进行了强度校核计算，认为其强度不能满足轧制 高强钢的要求，由此重新选择了轧辊材质。瞿志豪【5 8 】利用光弹性法对两种轧辊梅花接 轴在受扭状态下的强度作