万能轧机轧制H型钢的数值模拟分析_图文

1、2005年12月December 2005钢铁研究Research on Iron &S teel第6期(总第147期N o.6(Sum147万能轧机轧制H 型钢的数值模拟分析乔兵1,徐旭东2(1.东北特钢集团公司技术中心,辽宁大连116000;2.东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳110004摘要:利用显式动力学有限元分析方法,模拟了H 型钢在轧制过程中的变形情况,分析了影响金属流动过程的主要因素。研究结果表明,轧件的腿腰延伸比和腿宽对金属的流动趋势有明显的影响。关键词:H 型钢;有限元;金属流动中图分类号:TG 335.4文献标识码:A 文章编号: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作者简介:乔兵(1968-,男,辽宁大连人,博士生,主要从事金属材料性能研究.1前言H 型钢断面比较复杂,在轧制过程中影响金属流动的因素非常多,如何正确的分析这些因素对金属流动的影响,并有效的把分析结果应用到现场轧制规程的编制中去是现场的工程技术人员非常关心的问题。目前,关于这方面问题已经进行一些研究13,但还有待进一步完善。本文通过显式动力学有限元模拟的方法,模拟了H 型钢的轧制变形过程,找到了影响金属流动的几个主要因素,认真分析了这些因素对金属流动的影响趋势。2显式动力学有限元原理设在t 时刻

5、的物体现时构形为V ,物体V 发生变形时满足下列基本方程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应力边界条件:ij n j = T i 在S 上(3位移边界条件:u i = u i 在S u 上(4其中S 为外力 T i 已知的表面;S u 为位移约束表面;ij 和kl 为应力张量和应变张量;f i 是单位体积力;为阻尼系数; u i 是给定的位移; T i 是给定外力;D ijkl 是材料的弹塑性矩阵分量。u i ,tt 和u i ,t 分别是位移u i 对t 的二次导数和一次导数,即分别表示i 方向的加速度和速

6、度。根据平衡方程和边界条件的等效积分形式的G alerkin 提法,并带入物理方程可得到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将位移空间离散,并注意到位移变分的任意性,最终得到系统的求解方程Ma(t+Cv(t+Ku(t=Q(t(6其中a(t和v(t分别是系统的节点加速度向量和节点速度向量,M,C,K和Q(t分别是系统的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和节点载荷向量。考虑到几何非线性和忽略阻尼的影响,(6式应改写为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分别是线性应变和非线性应变和位移的转换矩阵,D是材料本构矩阵,t S和t S是第二类Piola-K irchhoff应力矩阵和向量。应用中心差分法,加速度用位移表示为a(t=1t2(u t-t-2u t+u t+t(11将该式带入(7式,中心差分法的递推公式可表示如下:1t2Mt+t u=t Q-(t KL+t K NL-2t2Mt u-1t2Mt-t u(12求解该式就可以得到问题的解。3模拟计算条件把表1中第

8、2行上所示的各参数作为基本轧制参数。在计算某个参数的影响时,按照表1改变这个参数的值(其中,轧前腿厚随轧前腰厚的变化而变化,即:轧前腰厚取15mm,则轧前腿厚取25mm,轧前腰厚取35mm,则轧前腿厚取65mm,其它参数按照基本轧制参数固定不变。根据上述方法,依次逐个的变化各轧制参数,从中发现影响金属流动的主要影响因素。H型钢轧制前的状态如图1所示,-Z方向为轧制方向。表1轧制参数轧前腰厚/mm 腰厚相对压下率/%轧前腿厚/mm腿部相对压下率/%腿宽/mm腿腰延伸比水平辊直径/mm立辊直径/mm157257.691000.9920660 25114512.22200 1.11120860351

9、56516.37300 1.413201 060图1H型钢轧制前的状态4轧制过程中影响金属流动的主要因素分析4.1轧件腿宽对金属流动的影响轧件的腿宽分别取100mm和300mm进行计算,其它参数按照基本轧制参数固定不变。根据计算结果可知:腿部较窄的轧件,如图2(a所示,金属沿X方向向轧件腰部中心流动的能力相对较差,而腿部较宽的轧件,如图2(b所示,金属沿X方向向轧件腰部中心流动的能力相对较强。沿轧制方向(-Z方向来看,腿部较窄的轧件如图3 (a所示,腰部(靠近R部的金属沿轧制方向流动相对较慢,腿部较宽的轧件如图3(b所示,R 部金属沿轧制方向流动较慢。根据最小阻力定律进行分析,当立辊对轧件腿部

10、进行轧制时,腿端是金属流动的自由端,腿部越窄,腰腿结合处(以下简称R部的金属距离自由端越近,就越容易向阻力小的腿端流动,而向腰部的流动量就会减少,因此这时轧件的宽展较大。相反,腿部越宽,R部金属距离腿端越远,流动阻力越大,导致金属向腰部的流动量较大,这时轧件的宽展较小。另外,由于水平辊辊面和侧面存在速度差,腿部越窄,这种速度差越小,腰腿之间的拉力就会越小。同时,由于立辊是被动辊,腿部较窄的轧件,腿部与立辊的接触宽度较窄,导致立辊轧制力相对较小,轧件很72 容易在主动辊(水平辊的驱动下向前运动,因此腰腿之间的拉力相对来说较小。相反,对于腿部越宽的轧件,腰腿之间的拉力相对来说较大。腰腿之间拉力大就

11、会增加腿部金属向宽度方向流动的阻力,轧件腿部的宽展就会减少。腿部宽展减少,则腿部延伸就会增加,腰部延伸相应的也要增加,根据体积不变定律,R 部就会有金属流向腰部,所以,腿部越宽的轧件,R 部向腰部流动的金属越多。沿轧制方向来看,R 部向腰税流动的金属越多,则在R 部,金属沿轧制方向流动就会较慢,结果如图3(b 所示 。(a (b 图2腿宽不同的H 型钢在X 方向的位移4.2腿腰延伸比的变化对金属流动的影响所谓腿腰延伸比是指轧件腿部绝对压下率与腰部绝对压下率之间的比值。该值是保证轧件腰部与腿部均匀延伸的系数,在轧件腰腿厚度较薄时,改变它会引起严重的产品缺陷,因此在进行模拟计算时轧件的腰腿厚度取的

12、相对大一些,即:初始腰厚取35mm ,初始腿厚取65mm ,轧后腰厚取31.15mm ,轧后腿厚取58.53mm 和55.21mm (对应扣腿腰延伸比分别是0.9和1.4,其它参数如表1所示 。(a (b 图3腿宽不同的H 型钢在Z 方向的位移图4(a 、图5(a 表示腿腰延伸比为0.9时轧件沿X 和-Z 方向的位移。图4(b 、图5(b 代表腿腰延伸比为1.4时轧件沿X 和-Z 方向的位移。根据计算结果:腿腰延伸比大,则R 部向腰部流动的金属多(如图4(b 所示,沿轧制方向R 部金属流动缓慢(如图5(b 所示。分析可知:轧制过程中,采用较小的腰部压下率或较大的腿部压下率可以获得较大的腿腰延伸

13、比。由于轧件作为一个整体并且总长度较长,由头部与尾部的不均匀延伸而造成的轧件中部的腰腿之间的不均匀延伸可以忽略不计,可以认为,在轧制过程中,轧件腰部的延伸与腿部的延伸保持一致,当然,由于头部与尾部存在不均匀变形,沿轧制方向,轧件腰部与腿部的位移量(变形后不可能相同。腿腰延伸比大说明轧件腿部的延伸趋势要大于腰部的延伸趋势,但为了达到腰腿延伸的一致性,腰部的延伸需要增加,腿部的延伸需要减少。根据体积不变定律,腰部延伸增加,则R 部向腰部流动的金属就会增加,结果如图4(b 所示。另外,同样根据体积不变定律,腿部延伸减少,腿部宽展就会增加,所以,当腿腰延伸比较大时,轧件的宽展系数就会较大。R 部金属向

14、腰部流动的越多,根据体积不变82定律,R 部金属沿轧制方向(-Z 方向流动量就会越少。所以如图5(b 所示,金属在流动过程中,腿腰延伸比越大的轧件,R 部金属沿轧制方向流动的越缓慢。 5结论轧件腿宽和腿腰延伸比是影响金属的流动的两个最主要的因素。根据计算结果和金属流动情况分析可知:(1腿部越宽的轧件,R 部金属向轧件腰部流动的趋势越强,沿轧制方向流动越缓慢,轧件宽展系数越低。(2腿腰延伸比越大的轧件,R 部金属向腰部流动的趋势越强,沿轧制方向流动越缓慢,轧件宽展系数大。参考文献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金晓光.万能孔型中轧制H 型钢时金属的横向流动J .钢铁研究学报,1998,10(6:2023.3卜勇力.H 型钢轧制过程三维弹塑性大变形有限元模拟J .钢铁研究学报,1999,11(4:2225.4王勖成,邵敏.有限单元法基本原理和数值方法M.北京:清华大学出版社,2001.(收稿日期:2004-11-21(上接第16页7结束语(1采用钒铁+富氮剂微合金化HRB400能够满足生产需要,并且强度有较大的富余。(2此增氮剂每吨钢加入3.07kg ,可对钢水