轧辊半径对热轧带件变形影响的有限元分析

1、轧辊半径对轧制1、前言对组织影响的研究却轧辊半径对轧制1、前言对组织影响的研究却轧辊半径对热轧带材轧件变形影响的有限元分析罗德兴陈其安刘立文摘 要：采用三维大变形热一力耦合有限元法分析了热轧板带时不同轧辊 半径对变形区内轧件变形的影响。得到了不同轧辊半径下变形区内等效应变、 剪切应变和应变能量密度的分布规律。结果表明在其他条件相同的情况下， 轧辊半径越大，变形区内的变形也越大。该结果对组织细化具有一定的指导 意义。关键词：轧辐半径变形有限元法L制变形勺影响，并进而 献有所提及,更深入的研究还不多见,但轧辊 半径对变形的影响有可能起到特殊的作用。轧辊半径会影响变形区形状，而变形 区形状一般认为可

2、以影响附加剪切变形，但目前这部分的机理还不太明确本文 采用MARC有限元软件,应用大变形弹塑性热一力耦合有限元法对热轧板带时轧 件在不同轧辊半径下的变形进行分析，以揭示轧辊半径对轧件变形影响的机理。2、有限元模型和计算条件将 300 x300的二辊热轧机，轧辊周速为0.3m/s作为变形工具。轧件尺寸是30mmx60mmx60mm，由于轧件的实际模型在宽度方向对称，所以B =B/2=30mm。如fig.1图所示，图示几何模型被分为8000个小单元，每个单元的真实尺寸是1.5mmx3mmx1.5mm,切分后共有9471个节点，变形的实际情况可以分散在这种小 单元用这些小单元来进行描述。3、计算条件

3、保持轧件尺寸、变形量X变形速率X不变，通过改变轧辊半径R来研究轧件变形 的情况，选择4种轧辊半径，及即150 135 125 110mm，以30%变形量分别轧制 相同规格的轧件，轧件材质为16Mn，化学成分为（%）： C 0.16 SI 0.39 Mn 1.38 S 0.025 P 0.018其屈服应力与变形量X变形速率X变形温度T有关，可通过实 验的方法得到屈服模型。采用三维热力耦合原理模拟，模拟必须的初始条件、边 界条件以及其他相关计算条件见表一。表1计算条件T able 1 Co nditio n o f ca Icula te参数名称数值及数学模型轧辊转速/rs-1 热平衡时温度c/

4、摩擦系数2、2. 1、2. 23 2. 33分别为4种辊径下的转速2000. 3轧件屈服模型3 /M Paes= 10exp( 4. 268 9- 0. 001 6 T) Xo. 3668- o. 000299T.23(0. 571 5+ 2. 179 2 X- 3. 6203X+2. 159 5 X)轧件弹性模量4 /M Pa 轧件泊松比功热转换系数【5轧件初始温度c/环境温度c/E= 221.854- 0. 018 29 T- 0. 000 118 6 T20. 30. 9 1 10025轧件与环境综合换热系数6/N（sm mc ）-10. 17接触传热系数/N（sm mC ）- 1摩擦类

5、型20用于轧制的库仑摩擦3模拟结果分析3. 1轧辊半径对等效塑性应变的影响从变形区内任选一个横截面，在不同轧辊半径图2为不同轧辊半径下，在相同轧制时间里变下皆以同一截面为对象，考察变形情况。形区内等效塑性应变等值线的分布情况。从图2中（图二）可以很直观地看出轧辊半径越大，整个变形区内的等效应变也越大。为更深入 地分析其规律性，以下以变形区内相同横截面的等效塑性应变分布情况作仔细讨 论。图3为采用不同轧辊半径模拟轧制到225步（即轧制时间0. 225 s）时，相 同截面内节点的等效塑性应变沿厚度方向分布情况。从图3中可以看出轧辊半 径R越大，相同截面内的等效塑性应变也越大。也就是说，在相同的轧件

6、尺寸 和变形量下，采用大直径轧辊轧制时，变形区内厚向等效塑性应变要比小直径轧 辊轧制时大。图4为在不同轧辊半径轧制下，相同截面内中心节点和表层节点的等效塑性 应变在变形区内随时间步的变化情况。从图4中可以看出，无论是表层节点还 是中心节点，在变形区内的整个轧制持续过程中，它们的等效塑性应变都随轧辊 半径的增大而增大，但表层节点增大的幅度比中心层节点增大的幅度要小。而 且还可以看到中心层和表层等效应变在轧制进行到某一时刻时相等，该等效应 变相等的区域作者称之为“过渡区”，也可以说“过渡区”是表层和中心层的 等效应变随轧制过程延续而增大的速率不一致所形成的交叉区。在“过渡区” 之前表层等效应变大于

7、中心层等效应变，在“过渡区”之后中心层等效应变逐渐 过渡到大于表层等效应变，在“过渡区”里等效应变几乎相等，可以认为变形 均匀。从图4中还可以看出，随着轧辊半径的减小，“过渡区”向变形区的出口方 向偏移。可以分析，“过渡区”越靠近变形区的出口侧，中心部位的应变得到 增大的时间就越短，则中心部位的变形就不能足够“深透”（注：此处变形“深 透”的概念是指变形程度的相对大小）。这可以说明轧辊半径越大，越有利于变 形区中心部位的变形“深透”。从以上分析可以得出，轧辊半径对等效塑性应变的影响，无论是在变形区的 厚度方向上，还是在轧制延续的过程中，都表现为轧辊半径越大，等效塑性应 变也越大。而且，轧辊半径

8、越大，越有利于变形区中心部位的变形“深透”。4、轧辐半径对剪切应变的影响 采用不同轧辊半径模拟轧制到225步（即轧制时间0. 225 s）时，任意选择的 相同横截面内节点的剪切应变沿厚度方向分布情况如图5所示。从图5中可 以看出在4种轧辊半径下轧制，截面内的剪切应变随轧辊半径的增大而大，这 表明在相同条件下，大的轧辊半径可以增加变形区内轧件的剪切变形。文献2 认为增大剪切变形有利于组织的细化，因此采用大的辊径轧制，有可能得到较细 的组织。5、轧辐半径对塑性应变能量密度的影响随着轧辊半径的增大，表层节点在通过变形区的时图6为在不同轧辊半径下相 同截面内节点的塑间内，其塑性应变能量密度也增大。性应

9、变能量密度沿厚度方向分布情况。从图6中可以看出，与等效塑性应变情 况相似，轧辊R半径越大，相同截面内的塑性应变能量密度也越大。也即，在 相同的轧件尺寸和变形量下，采用大直径轧辊轧制时，变形区内厚向塑性应变能 量密度要比小直径轧辊轧制时大。也可以说在其他条件相同的情况下，轧辊半径 越大，轧制所需要的总能耗越大，这一点与实际生产过程相符合。另外从图6中还可以看到，不同的轧辊半径下，表层3个节点的塑性应变能 量密度差别不大，中心层的节点差别较大。这是因为轧制能量在表层能得到0充 分传递，因而受轧辊半径的影响较小，而能量传递到中心层的多少则与变形区 的长度有关，即与轧辊半径有关。轧辊半径越大变形区长度

10、越大，传递到中心 的能量就越大。中心的能量越大，它的变形就越深透，从这一点也可以解释变形 “深透”的问题。图七为不同轧辊半径下相同截面内表层节点的塑性应变能量密度随时间同步 的变化情况，可以看出随着轧辊半径的增大，表层节点在通过变形区的时间内 ，其塑性变形能量密度也增大因此，可以说无论是在变形区的厚度方向上，还是 在轧制延续的过程中，都是轧辊半径越大，塑性应变能量密度也越大，对变形的 贡献也越大。6、结论轧辊半径对轧件在变形区内等效应变的影响表现为，轧辊半径越大，等效 塑性应变也越大；同时轧辊半径越大，变形区内的变形越深透。轧辊半径对轧件在变形区内剪切应变的影响是正面的，即轧辊半径越大变 形区

11、内的剪切应变也越大。轧辊半径越大，变形区内的塑性应变能量密度也越大。在其他条件相同的情况下，采用大直径轧辊轧制，可使变形更为强化，有 利于获得更为均匀和细小的组织。140 160 180 200 220 240 260 280 300 32。 时间增量步/t=no.中心层 。7M10,秘Q125,中心层425,表层 一7?=135,中心层 -C-足435.表层 -*-/;=50,140 160 180 200 220 240 260 280 300 32。 时间增量步/t=no.中心层 。7M10,秘Q125,中心层425,表层 一7?=135,中心层 -C-足435.表层 -*-/;=50,

12、中心层 -0-4150、表层R - 150 mm135 mm125 mm - 110 mm(图三)140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 时间增量步ooooooooo87654321船蜩盎制送*蔚(图四)0 5 0 5 0 5 3623 星 (图六)（图五）-0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05 0 10 0.15 剪切应变，*v（xO.D（图七）Kyung.Keun IJAr二 yo THCJCCFK，CJraiL Effg 一cf=三兰 Sh 由凸 Th-o-knt?*xcn-xhc1f仁 formODmm m F3iT 寸 Kc王

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