4辊轧机轧制系统设计及有限元分析开题报告

1、文献综述：结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料， 每人撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。五一证一一综一述0序言目前，世界上约90%的钢材都是用轧制方法生产的。轧制，是指金属（或非金属）材料 在旋转轧辊的压力作用下，产生连续塑性变形，获得要求的截面形状并改变其性能的方 法，主要用来生产型材、板材、管材。轧制有热轧和冷轧两种。用轧制方法生产钢材， 具有生产率高、品种多、易于实现机械化和自动化等优点。我国已拥有世界上先进的 轧制技术,并在逐步推广、应用和发展中不断创新1。四辊轧机工作辊直径较小，传递轧制力矩,轧延压力由轧辊承受。这种轧机的优点 是相对刚度高、压下

2、量大、轧延力小，可轧制较薄的板材。有可逆和连轧两种，广泛 用作中厚板轧机、板带热轧或冷轧机以及平整机等。1中国轧钢技术的发展在二十世纪最后的10年，世界轧钢技术发展迅速。轧钢生产实现了高度的自动化、 连续化和高精度化，轧钢产品性能大幅度提高，成本显著降低，从而使钢材在面临有 色金属、塑料、陶瓷材料的激烈竞争中，仍然保持主体结构材料的地位。中国轧钢技 术的进步正是在这一国际大背景下取得的。1553年法国人布律列尔（Brulier）制成一台轧机，轧制造币用的金板和银板。最早的 冷轧机是二辊式，以后采用工作辊辊径较小而刚性较大的四辊轧机。为了轧制更薄和 更硬的带钢，又发展出工作辊辊径更小而刚性更大的

3、六辊、十二辊、二十辊和偏八辊 （M.K.W.式）等轧机。1980年世界上的辊身长度大于860mm的带钢冷轧机共有466 台,其中可逆式四辊轧机161台，可逆式多辊轧机108台，连续式轧机197台。中国有 宽带钢冷轧机9台，其中可逆式四辊轧机4台，可逆式二十辊轧机3台，偏八辊轧机1 台，连续式轧机1台。单机架可逆式四辊冷轧机适合于生产多品种、小批量、厚度0.2mm 以上的普通碳钢或低合金钢。轧钢生产是将钢锭或钢坯轧制成钢材的生产环节。用轧制方法生产钢材，具有生 产率高、品种多、生产过程连续性强、易于实现机械化自动化等优点。因此，它比锻 造、挤压、拉拔等工艺得到更广泛地应用。目前，约有90%的钢都

4、是经过轧制成材的。 有色金属成材，主要也用轧制方法。为满足国民经济各部门的需要，除轧制生产一般产品外，还生产建筑、造船、汽 车、石油化工、矿山、国防用的专用钢材.轧钢生产的成品，根据钢材断面形状，主 要分成三大类：钢板、钢管和型钢（包括线材）5。轧钢机械或轧钢设备主要指完成由原料到成品整个轧钢工艺过程中使用的机械设 备。一般包括轧钢机及一系列辅助设备组成的若干个机组.通常把使轧件产生塑性变 形的机器称为轧钢机。轧钢机由工作机座、传动装置（接轴、齿轮座、减速机、联轴器） 及主电机组成.这一机器系统称主机列，也称轧钢车间主要设备。主机列的类型和特 征标志着整个轧钢车间的类型及特点。除轧钢机以外的各

5、种设备，统称轧钢车问辅助 设备。辅助设备数量大、种类多、随着车间机械化程度的提高，辅助设备的重量所占 的比例就愈大。轧钢机按用途可分为开坯轧机、型钢轧机、板带轧机、钢管轧机和特殊轧机（如横 轧机、轮箍轧机等）6。2轧制系统的概述轧钢生产是将钢锭或钢坯轧制成钢材的生产环节。用轧制方法生产钢材，具有生 产率高、品种多、生产过程连续性强、易于实现机械化自动化等优点。因此，它比锻 造、挤压、拉拔等工艺得到更广泛地应用。轧钢机是轧钢生产过程主要的同时也是最 重要的生产设备。轧机牌坊和轧辊的弹性变形直接影响到产品的最终断面形状和尺寸 精度，对轧机牌坊和轧辊弹性变形的分析，可为设备结构的优化设计和制定优化的

6、轧 制工艺制度提供理论依据；轧辊和轧机机架是轧制力的主要承载体，其强度是否满足 要求直接关系到设备的安全生产刀。在轧制过程中，金属对轧辊作用力有两个：一是与接触表面相切的摩擦应力的合 力摩擦力；二是与轧辊和轧件接触表面相垂直的单位压力的合力一一正压力。摩 擦力与正压力在垂直轧制方向上的投影之和，即平行轧辊中心联线的垂直力，通常称 之为轧制压力。轧制压力是轧机三大负荷参数（轧制压力、轧制力矩和电机功率）中最重要的一个， 一方面它直接决定了轧机零件的受载情况，另一方面也关系到其他两个参数的大小。 关于接触面积的数值，在大多数情况下，是比较容易确定的，因为它与轧辊和轧件的 几何尺寸有关。关于平均单位

7、压力的确定，较为困难，因为它取决于许多影响因素。影响单位压力的因素很多，基本上可以分为两大类：第一类为影响轧制金属本身 性能的因素，即金属塑性变形阻力；第二类为影响应力状态条件的因素。（1）影响金属塑性变形阻力的因素金属塑性变形阻力是指单向应力状态条件下金属材料产生塑性变形时所需的单位 面积上的力。它的大小取决于金属材料的化学成分和组织状态、变形温度、变形速度、 变形程度及加工历史。（2）影响应力状态条件的因素影响应力状态条件的因素主要有外摩擦的影响、张力的影响及外区影响。外摩擦的影响外摩擦对单位应力的影响是综合因素的影响，它包含轧件与轧辊阃的摩擦系数、 轧件高度和轧辊直径等。张力的影响根据轧

8、制理论，张力变化，特别是后张力变化，对轧制压力有很大影响，而轧制 压力变化必然导致轧辊弹性变形发生变化。外区影响即变形区外金属对单位压力的影响，主要是由于轧制时变形区内金属的不均匀变 形引起的变形区外金属的局部变形，从而改变了变形区内金属的应力状态，使单位压 力加大8。确定轧制压力在生产实践中有着重要的意义：为了计算轧辊和轧机其它各个部件的强度，及校核和选择电动机负荷，正确制 定压下工艺规程，需要计算轧制压力。钢板生产中为了实现板厚和板形的自动控制，需要计算轧制压力。为了充分发挥轧机的生产潜力，提高轧机的生产率，以及利用计算机实现轧制 生产过程自动化，需要计算轧制压9。轧机在轧制生产过程中，轧

9、辊处于复杂的应力状态，轧制负荷引起的接触应力、 剪切应力以及残余应力等。如轧辊的选材、设计、制作工艺等不合理，或轧制时卡钢 等造成局部发热引起热冲击等，都易使轧辊失效。任何一种失效形式都会直接导致轧 辊使用寿命缩短。因此有必要结合轧辊的失效形式，探究其产生的原因，找出延长轧 辊使用寿命的有效途径10。3有限元分析的概念及特点有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多 称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然 后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是 准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问

10、题所代替。由于大多数实际问题难 以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之 有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几 个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆 的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方 法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力 学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和 普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成 为一种丰富多彩、应用

11、广泛并且实用高效的数值分析方法。有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对 小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough） 教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz法+分片函数”，即有限元法是 Rayleigh Ritz法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界 条件的允许函数的Rayleigh Ritz法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问 题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边 界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一 UH。目前，

12、根据金属材料本构方程的不同，可将有限元模拟方法分为以下两类12。弹塑性有限元法弹塑性有限元法考虑了包括弹性变形的金属变形全过程。以Prandlt-Mises本构方 程为基础。在分析金属成型问题时，不仅能按变形路径得到塑性区的发展状况，工件 中的应力、应变分布规律和几何形状的变化，而且还能有效地处理卸载问题，计算残 余应力。因此，弹塑性有限元法被用于弹性变形无法忽略的成型过程模拟。但弹塑性 有限元法要以增量方式加载，尤其在大变形弹塑性问题中，由于要采用Lagrange或 Eu-ler描述法之一来描述有限元列式，所以需花费较长的计算时间，效率较低。刚塑性有限元法刚塑性有限元法忽略了金属变形中的弹性

13、效应，以速度场为基本量，形成有限元 列式。这种类型主要有刚塑性有限元法和刚粘塑性有限元法.刚塑性有限元法虽无法 考虑弹性变形问题和残余应力问题，但计算程序大大简化。在弹性变形较小甚至可以 忽略时，采用刚塑性有限元法可达到较高的计算效率。可将轧辊模拟为弹性体，将轧件模拟为弹塑性、多线性各向同性应变硬化材料并 符合H矿一一伽s鼯屈服准则，这对于热轧型钢过程的模拟比较适宜。借助商业有 限元软件，采用大变形弹塑性有限元法和六面体八节点等参元技术，有限元网格的布 局根据轧件的变形条件以及轧件断面不同部分的剧烈程度来确定。根据对称性，可选取轧件的1/4进行模拟分析，并用八节点六面体等参单元对轧 件进行离散

14、以及有限元网格划。在对称面上施加位移对称约束，轧辊与轧件的接触面 采用面一面接触等单元划分网。建立的有限元基本方程包括应力和应变速率方程、微 分平衡方程、体积不可压缩条件及其边界条13。4总结随着现代科技日新月异的发展，钢带使用越来越广泛，对之的要求也越来越高， 市场潜力大，随着工业的发展对薄带钢需求增长的同时，对薄带钢的精度要求也越来 越高。那是由于冷轧的薄带钢表面比较光滑，宽厚精度都比较高，利用率高。冷轧薄 带钢还有平直度高表面光洁度高，品种多、用途广的特点14。随着现代工业的进步，许多产品朝着更大、更快、更轻和更安全可靠的方向发展。 利用有限元分析的方法对轧机的轧制系统进行性能分析，分析

15、出轧机轧制系统的失效 形式，将对四辊轧机轧制钢带方面轧制系统的设计改进提供可靠的理论依据。结合有 限元法基础理论，运用有限元分析软件，对轧制时轧辊变形进行有限元模拟，对变形 过程中轧辊的应力应变分布及危险断面进行分析讨论。运用有限元法建立模型，可以 方便、有效，直观地预测和计算轧辊和机架的弹性变形及应力分布，可以预测轧辊在 产生变形时各部位的受力状况，便于找出轧辊的薄弱环节，为今后轧辊结构的优化设 计提供理论依据15。参考文献周 研.轧钢技术的发展和展望.大众科技,2010年第12期张树堂，陈其，王国，周积，刘相华.中国轧钢技术的进步与展望.中国 金属学会轧钢学会,2002.王国栋，吴 迪，刘

16、振宇,王昭东.中国轧制技术的现状和展望.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.中国冶金，2009，第19卷第 12期.徐鹤贤.冷轧钢带张力及其控制工艺探讨J.特钢技术，2001，(3)： 12-17.刘丽艳，张树堂.冷轧板带钢生产的结构调整与发展方向.轧钢，2010，27 (3).李 戬.冷轧板带钢的生产工艺.青海大学学报(自然科学版).2006, 02期.唐前辉.轧机轧制过程轧制压力的确定及应力应变分析.重庆大学，硕士学位论 文，2006，10.周富强，曹建国，张杰，尹晓青，贾生晖，曾伟.冷连轧机轧制力的影响因素.机 械工程学报，2007年第10期.邵世凡.无

17、缝隙车圈轧制系统的设计.基础自动化,2000年第2期.渠彬，朱世根，顾伟生.轧辊失效方式及其原因分析.山东冶金，2005年第1 期.傅永华.有限元分析基础.武汉：武汉大学出版社，2003.8.董红波，康永林.有限元模拟技术在板带钢轧制中的应用.轧钢，2004. 4(2)： 44_4.建林，许宝才，康永林，杨进航.棒材切分轧制过程中三维弹性有限元模拟.青 海大学学报(自然科学版)，2004年2月第22卷第1期：25-27, 42.孙新学，付永领，卢宁，荣茜.棒线材无头轧制系统组成分析.新技术新工艺， 2006年 09 期.康国政大型有限元程序的原理、结构与使用.西南交通大学出版社。2004.开题

18、报告：一、课题的目的与意义；二、课题发展现状和前景展望；三、 课题主要内容和要求匚四、研究方法、步骤和措施开题报告一、课题的目的与意义随着经济的飞速发展和人们生活水平的不断提高，除了传统上的对材料强度，刚性， 韧性等性能的要求之外，对钢板表面的要求也不断提高，冷轧的薄带钢表面比较光滑， 宽厚精度都比较高，利用率高。冷轧薄带钢还有平直度高表面光洁度高，品种多、用途 广的特点。本研究的四辊轧机工作辊直径较小，传递轧制力矩,轧延压力由轧辊承受。这种轧机 的优点是相对刚度高、压下量大、轧延力小，可轧制较薄的钢带。有可逆和连轧两种， 广泛用作中厚板轧机、板带热轧或冷轧机以及平整机等。可是我国复杂断面的冷

19、弯型钢 却存在着产品品种和规格数量少，开发深度不够，产品存在缺陷质量达不到用户的要求， 成型控制未能得到完全解决等问题。采用有限元方法，根据实际生产的真实条件，模拟研究四辊轧机轧制过程的三维变 形，系统的分析了应力应变变化情况，各道次冷弯成型力的大小等重要数据，实现了生 产过程的真实模拟，不但能指导实际生产，而且对冷弯产品的设计也有很大的指导意义， 这种新型的分析方法必将对冷弯成型技术的发展产生积极影响。二、课题发展现状和前景展望改革开放以，中国钢铁工业飞跃发展，为中国社会进步和经济腾飞做出了巨大贡献。 作为钢铁工业的关键成材工序，轧钢行业在引进、消化、吸收的基础上，开展集成创新 和自主创新，

20、在轧制工艺技术进步、装备和自动化系统研制和引领未来钢铁材料的开发 方面实现跨越式发展，为中国钢铁工业的可持续发展做出了突出贡献。经过改革开放以 来的持续发展，中国已经建设了一大批具有国际先进水平的轧钢生产线，比较全面地掌 握了国际上最先进的轧制技术，具备了轧钢先进设备的开发、设计、制造能力，一大批 国民经济急需、具有国际先进水平的钢材产品源源不断地供应国民经济各个部门，为中 国经济与社会发展、人民幸福安康提供了重要的基础原材料。进入21世纪以来，轧钢战线的广大科技工作者遵循“自主创新，重点跨越，支撑发 展，引领未来”的科技发展方针，以节省资源和能源、工艺和产品的绿色化、实现可持续 发展为目标，

21、在工艺、装备、产品等方面开展技术创新，逐步解决制约轧钢技术发展的 重大关键技术和共性技术问题，自主建设并高效运行了一大批轧钢生产线，推动了轧钢 工业的跨越式发展。四辊轧机在轧制生产过程中，轧辊处于复杂的应力状态，轧制负荷引起的接触应力、 剪切应力以及残余应力等。如轧辊的选材、设计、制作工艺等不合理，或轧制时卡钢等 造成局部发热引起热冲击等，都易使轧辊失效。任何一种失效形式都会直接导致轧辊使 用寿命缩短。因此有必要结合轧辊的失效形式，探究其产生的原因，找出延长轧辊使用 寿命的有效途径。利用有限元分析的方法对轧机的轧制系统进行性能分析，分析出轧机轧制系统的失 效形式，了解轧辊损坏原因，针对具体的轧机系统、损坏形式采取相应措施，轧辊失效 可以得到有效控制，可以最大限度降低辊耗，从而提高轧辊的使用