毕业设计变形量对钢板异步冷轧过程影响的数值模拟分析

毕业设计变形量对钢板异步冷轧过程影响的数值模拟分析张纪文：变形量对钢板异步冷轧过程影响的数值模拟分析铜陵学院毕业设计-1-第一章异步冷轧钢板在国内外的发展状况及应用前景1.1异步轧制生产技术异步轧制是两个工作辊圆周速度不等，使轧制变形区产生一种搓轧变形的新的轧制技术。它有两种基本形式：一是辊径相同，速度不同（异径异步）；二是转速相同，辊径不同（异速异步）。其生产工艺过程基本上和同步轧制相同。如冷轧带钢的工艺过程为表面准备、冷轧、热处理、冷轧、成品检验、上油包装。异步轧制是为了降低轧制压力和设备重量，提高轧制加工效率和产品精度而发展起来的一种新的轧制压力加工技术。相比与同步轧制，异步轧制的特点如下，第一，在轧件压下量相同的情况下，轧制压力更低。所以异步轧制具有轧制压力低，变形量比较大的特点。第二，在轧件刚度相同的情况下，产品的尺寸精度高，板型变形小。第三，变形区的剪切变形能力较大，所以其冷加工性能比较好。第四，在异速比不同的情况下，轧件的中性面偏离轧辊辊缝变形区，所以可以较好地控制轧材宽展方向的材料流动。异步轧制有比同步轧制更多的优点，其主要区别于同步轧制的地方为，同步轧制时，变形区的材料在前滑区和后滑区上下表面摩擦力都是指向中性面的，以至于中性面附近的材料单位压力突然增大，从而平均单位轧制力也会增加。异步轧制变形区的主要特点表现在横切变形区内，与上下辊接触的轧件材料表面所受摩擦力沿中性面呈相反方向，形成了剪切变形，从而导致轧材材料的中心具有比较大的剪切力，这样会使轧制变形抗力减小，单位轧制压力随之降低。据以上分析，异步轧制具有其独特的优点，以此优点为研究方向，研制出了很多与之相应的异步轧机。它们具有轧制压力比较低但是轧制效率却比较高，辊速与张力控制简单且适应性较强。异步轧制所使用的设备主要有异步单机、PV轧机、LPV轧机、NCM轧机、FFC轧机、连轧机。1.2国内外异步轧制技术的研究进展以国内外的实际应用来看，异步轧制的主要适用范围如下。一，既可以用于碳素结构钢、合金钢、不锈钢等黑色金属的冷轧板带生产，也可用于铜铝等有色金属的冷轧板带生产。特别是高强度材料的薄板带生产。它使轧机的使用范围扩大，使工作辊径与带材厚度的比值DH大于8250，带材宽度与厚度比值BH大于7500，最小轧制厚度达0.001毫米。二，复合薄板的生产，热态复合轧制时，生产过程的氧化和脆性金属化合物问题影响很大，而异步轧制冷轧复合薄板，可很好地解决40年代初至今，已有多个国家开展了异步轧制技术研究。其中德国和苏联的异步轧制技术较为成熟，已经有五十多年的研究历史，他们的工艺研究迅速发展，取得在世界范围内被广泛的研究和应用。基于异步轧制技术原理的成功研究，前苏联设计制造了PV轧机，日本先后设计制造成功了FFC轧机、IPV轧机、NCM轧机。这些都标志着异步轧制这门新技术已趋于成熟，并能成功应用于工业生产，在冶金生产中具有不可忽略的重要作用。60年代初，我国也逐渐看到异步轧制所具有的独特优势，至今也进行了大量的实验理论研究，同时也取得了很多重要的科研成果。北京科技大学、东北大学、鞍山钢铁集团等钢铁类的科研单位经过不懈的努力，成功的研制出了异步恒延伸轧机、20辊异步轧机、异步单机、连轧机等。北京科技大学与新余钢铁总厂合作，研制出φ90／240×300异步冷轧轧机，它可以显著提高轧制效率和产品质量，同时在降低能耗方面也具有突出作用，已能成功地应用于工业生产。北京科技大学、东北大学、哈尔滨工业大学、钢铁研究总院、鞍山钢铁集团、攀枝花钢铁集团、新余钢铁集团等众多科研单位已有课题组从理论和实践上对异步轧制新技术进行了广泛地研究。相关钢铁厂和单位都有很多从事于异步轧制理论和实践应用的研究工作者。但是，异步轧制技术的研究还不够充分，存在理论不足以指导实践需要。轧机的振动和轧件的弯曲是目前为止急需解决的问题。异步轧制作为一种具有独特优点的压力加工技术，随着对它的研究越来越深入，可以预见，异步轧制将会得到越来越广泛的应用。1.3异步轧制技术的发展前景和意义钢铁产业是我国的支柱性产业，各行各业的发展都不可能离开钢材，所以钢材的需求量逐年增加。但我国的钢材附加值远小于发达国家，其中产能过剩、吨钢耗能都是比较严重的问题，同时产品质量合格率、单位附加值都不高。在这种情况下，就需要研发新的轧制生产工艺，以便提高产品的质量，同时兼顾降低能耗及生产成本，要想我国完成由钢铁大国向钢铁强国转变，其关键在于生产高附加值的产品。搞清楚异步轧制过程中，不同的轧制工艺参数对轧件变形和组织变化规律的影响，才能得到先进的异步轧制生产工艺，拓宽异步轧制工艺的应用范围。近些年来，随着对产品质量要求的提高，对板带材表面质量和板形等要求也越来越高,所以能有效控制板型的各种轧机也相继出现，如:液压弯辊技术、CVC、HC、PC及WRS轧机等。但是由于辊缝形状复杂，一般的工艺技术都很难达到此种要求，所以得综合多种工艺技术，这样一来就使得板形控制设备变的很复杂。此时异步轧制技术就可以突显其作用，比如降低轧制力、轧辊的横向弯曲和板凸度,这样均匀了轧辊辊缝，从而使板形控制难度降低。因此,异步轧制技术可有效地改善板形,使异步轧制理论及工艺的优越性得到最大发挥。

第二章异步冷轧技术原理2.1异步轧制技术的实现异步轧制辊速的不同是通过上下轧辊半径不同或二者转动角速度不一样来实现的。前者称为异径异步轧制,后者称为同径异步轧制。近年来还出现了上下辊具有相同的辊径与转速,但依靠两者摩擦系数不同来实现异步轧制。图2-1为异步轧制原理图。异步轧制轧件在咬入时,其头部首先与轧辊接触，且上辊比下辊的线速度高。轧件头部受到来自上辊和下辊的锤锻作用力，使轧件头部与辊的接触由点(实际是一条线)变成接触弧(实际是一块接触弧面)，轧机上工作辊的咬入角由大变小，形成楔咬作用。锤锻和楔咬作用有利于轧件咬入。咬入阶段咬入阶段b)稳轧阶段nnnnn1＞图2-1异步轧制原理图轧件咬入后，由于上下工作辊速度不同，则上下轧辊表面由此产生线速度差，使轧件处于搓轧状态中，从而可削平摩擦峰值，降低轧制力和能耗，同时也可使轧件表面的氧化铁皮易于脱落，提高了轧件的表面质量。见图2-2。图2-3所示为常规轧制和异步轧制时的摩擦力分布。金属在轧制过程中，按金属流动速度的不同，中性面将变形区分为前滑区和后滑区。在轧制过程中，常规轧制时上下辊的中性角相等，轧制变形区金属在前滑区，后滑区上下表面摩擦力都是指向中性面，中性面附近单位压力骤增，使平均单位轧制压力增大，阻碍金属变形。异步轧制时，由于上下轧辊的线速度不同，中性面将发生偏移，表现在辊缝出口端轧材中性面偏向快速辊一侧。由于中性面的偏移，在变形区中形成一个外力作用条件与应力状态都比较特殊的区域，此区域位于两个中性点之间，其上、下接触面的摩擦力方向相反，形成了异步轧制所特有的搓轧区。由于搓轧区的存在，造成了轧制过程变形特点和金属流动的特殊变化。在搓轧区上、下表面，外摩擦力方向相反，减少了外摩擦所形成的水平压力对变形的阻碍作用，从而显著降低了轧制变形的总压力。又由于方向相反的摩擦力，造成了搓轧区上、下表面金属流动的不同，因而在变形区内引起剪切变形，导致金属表面质量、金相组织、晶体位向和力学性能的变化。与常规轧制相比，异步轧制具有显著降低轧制压力与轧制力矩，降低产品能耗，减少轧制道次，增强轧薄能力，改善产品厚度精度和板形，提高轧制效率的优点。特别是对于轧制变形抗力高、加工硬化严重的极薄带材，其节能效果更加显著。a)同步轧制变形区受力图b)异步轧制变形区受力图图2-2轧制变形区受力图a)同步轧制b)异步轧制图2-3变形区的摩擦力分布图理想的异步轧制条件为：轧材中性面沿快速辊出口，沿慢速辊进入，称为PV(PerfectFullAsymmetricalRolling)轧制，习惯上称为全搓轧。相对的，还存在IPV轧制(ImperfectAsymmetricalRolling)，也称不完全轧制。2.2异步轧制技术特点和应用异步轧制与常规轧制的根本区别是：异步轧制时按预定要求使上、下工作辊的表面产生一定的速度差,这样就造成了金属在变形区内流动的特点与常规轧制不同,常规轧制变形区内金属相对轧辊有前滑区和后滑区,摩擦力指向中性点。因此,其上、下接触弧的摩擦力,轧制压力和扭转均是对称的。异步轧制由于上、下辊有速度差,上、下辊的中性点不在同一垂直平面内,慢速辊侧中性点向入口侧移动,快速辊侧中性点向出口侧移动,这样就形成了变形区上、下摩擦力方向相反的区域,这个区域也称之为搓轧区。常规冷轧板带时,由于变形抗力和摩擦阻力作用大,单位轧制压力在中性面处形成了很高的峰值,轧制压力引起轧辊的弹性压扁变形,使轧辊局部半径增大，造成变形区长度增大和更大的单位压力峰值，当轧辊所能够提供给轧件的最大单位压力不足以克服单位压力峰值，不能使轧件产生塑性变形时，轧件的厚度就是所谓的最小可轧厚度。通常D/h为1000~1500,即冷轧机轧辊直径与轧件厚度之比达到1000左右，就很难轧制变形了，例如轧辊直径为120mm时，一般最薄只能轧到厚度为0.12mm左右，此时已经非常困难了，同时必须有超常的轧制压力和很多的轧制道次。因此，常规轧制很难用较大直径的轧辊生产极薄带,若生产极薄带必须采用直径小而长度大的轧辊,并有多级支撑结构的多辊轧机,如二十辊轧机,其原理就在于此。异步轧制由于存在搓轧区,单位轧制压力不存在摩擦力引起的压力峰值,不会出现上述的变形困难,因而在相同的辊径下,异步轧制可以轧制更薄的产品。理论和实践足以证明,异步轧制可以使D/h值达到10000以上。如在实验室直径90mm的四辊轧机上可生产出厚度0.0035mm的薄板带。带钢厂的异步轧机,轧辊直径为120mm,现已轧出厚度0.06mm的薄带钢,D/h值达2000，且压下不困难,用此轧机生产厚度0.1mm的带钢,选用的坯料厚度为0.5mm，用四道次即可轧出,这是常规轧机根本达不到的，故异步轧机适宜生产极薄带材。

第三章异步冷轧钢板数值分析简介3.1DEFORM模拟软件综述3.1.1DEFORM模拟软件简介DEFORM(Designenvironmentforforming)是由美国BattelleColumbus实验室在八十年代早期着手开发的，是国际上最著名的2D/3D成形加工和热处理工艺模拟分析软件，专为生产实际应用而设计开发，它能保证用户缩短设计、生产周期，优化最佳工艺，提高生产率。目前己有的DEFORM程序有：DEFORM-2D(二维)，DEFORM-3D(三维)，DEFORM-PC(微机版)，DEFORM-PCPro(微机Pro版),DEFORM-HT(热处理)。DEFORMTM突出特色如下。(1)该软件可以对材料流动、锻造负荷、模具应力、晶粒流动性、产品缺陷等进行分析。(2)它的工艺用途很广，可以对冷热过程还有锻造、拉拔、挤压、轧制、摆辗等过程进行模拟，分析正火、退火、淬火、回火、渗碳，蠕变、硬等处理对材料性能的影响。(3)它所适用的设备较多如液压锻机、锻锤、摩擦压力机、轧机、摆辗机等机器的模拟过程。(4)该软件所涵盖的材料种类十分丰富，可以实现各种材料的变形模拟。早期的DEFORM-2D软件只能局限于分析等温变形的平面问题或者轴对称问题。随着有限元技术的日益成熟，DEFORM软件也在不断发展完善，目前，DEFORM软件已经能够成功用于分析考虑力耦合的非等温变形问题和三维变形(DEFORM-3D)，此外，DEFORM软件可视化的操作界面以及强大而完善的网格自动再划分技术，都使DEFORM这—商业化软件在现代工业生产中变得愈来愈实用而可靠。DEFORM家族中的DEFORM-3D是在—个集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性进行模拟仿真分析。它适用于热、冷、温成形，提供极有价值的工艺分析数据。如材料流动、模具填充、锻造负荷、模具应力、晶粒流动、金属微结构和缺陷产生等情况的分析。DEFORM-3D功能与2D相比，它能够处理的对象为复杂的三维零件、模具等，它具有如下的优点。(1)不在人工干预下它能够进行自动网格重划分，系统中集成了在任何必要时能够自行触发自动网格重划生成器，生成优化的网格系统。如果网格精度要求较高它就可以将网格划分的较细密，从而显著提高计算机的运算效率。（2）在前处理过程中它可以自动生成边界条件，这样可以保证数据准确可靠。（3）DEFORM-3D模型是来自CAD系统的面或实体造型的(STLISLA)格式。（4）它的成型设备模型有液压压力机、锤锻机、螺旋压力机、机械压力机、轧机、摆辗机等。（5）它的表面压力边界条件处理功能对解决胀压成形工艺具有较好的效果。（6）单步模具应力分析适用于多个变形体、组合模具、带有预应力环时的成形过程分析，所以方便快捷。（7）所使用的材料模型有弹性、刚塑性、热弹塑性、热刚粘塑性、粉末材料还有自定义类型。（8）实体之间或实体内部的热交换分析既可以通过单独求解，也可以通过藕合在成形模拟中进行分析求解。（9）具有FLOWNET和点迹示踪、变形、云图、矢量图、力—行程曲线等一系列后处理功能，分析结果全面。（10）具有切片功能，可以显示工件或模具剖面直观的分析模拟结果。（11）程序具有多联变形体处理能力，能够分析多个塑性工件和组合模具应力。（12）后处理中的镜面反射功能，为用户提供了高效处理具有对称面或周期对称面，并且可以在后处理中显示整个模型。综上所述，可以知道DEFORM-3D(三维)是—套基于工艺模拟系统的有限元分析系统，用于分析各种金属在成形过程中的三维(3D)流动情况，为分析数据，改进成型工艺提供了宝贵的资料，DEFORM-3D应用包括锻造、挤压、轧制、自由锻、弯曲等其它成形加工工艺。DEFORM-3D是模拟3D材料流动的理想工具。它不仅成型性能好而且使用非常方便。DEFORM-3D强大的模拟引擎能够分析金属成形过程中多个关联对象耦合作用的大变形和热特性。它所具有的网格重新划分生成器能够自动进行网格重划分，从而避免了人工划分的不科学性，是模拟精度更高模拟效果更好。DEFORM-3D的图形界面可塑性更好。使用户分析数据和观察数据分析结果的有效工具。DEFORM-3D还提供了几何操纵修正工具。DEFORM-3D延续了DEFORM-2D系统几十年来—贯秉承的力保计算准确可靠的传统。在最近的国际范围复杂零件成形模拟招标演算中，DEFORM-3D的计算精度和结果可靠性得到了普遍的认可。3.2材料模型的建立材料力学模型是影响成形载荷的重要因素，是金属塑性成形问题中的重点，常用的材料模型有弹塑性、刚塑性、热弹塑性、热刚塑性及自定义类型等。本次模拟为异步冷轧钢板的模拟，因此可采用钢塑性的钢材作为坯料，根据DEFORM中提供可选择的材料力学模型，加上任务书的要求，综合考虑，选取AISI_1045_(20-1200)。3.3网格划分与重划分在有限元分析求解中，网格质量的好坏直接影响到求解的效率和精度。对于复杂的大变形金属成形过程，往往难以用—成不变的单元网格把变形过程模拟完。这是因为，在非稳态的复杂型腔金属塑性成形过程的有限元模拟中，当工件的某些边界网格与模具边界相干涉时，将会使模拟结果产生误差；此外，大金属变形会使初始网格产生畸变，如果仍把畸变的网格形状作为增量计算的参考状态，就会导致计算精度降低，引起不收敛，严重时甚至不能继续进行计算。所以对模具型腔定形部位应选用小的网格尺寸。另外，在金属成形过程中，材料在流动时极易产生网格畸变，虽然DEFORM-3D软件具有良好的网格自动划分和重划分功能，但对变形剧烈部位然可采用局部加密的原则。总之，网格重划分(其流程见图3-1所示)的最重要任务就是将依赖于变形历史的变形场量，如应力、应变场等，准确地从旧网格系统传递到新网格系统中去，同时还需把旧网格系统的工件与模具接触状态参数传递到新网格系统中去，以便正确地施加约束，即将旧网格上的单元量和节点量映射到新网格上，继续后续分析。对轧辊进行网格划分的总的前提：只要与轧件接触的表面，力求保证它们的形状不失真，即其轮廓尺寸在被离散化后与实际相差无几，能无限接近其外形。对于轧件的网格划分，因为它在模拟软件中是作为工件出现，则应选同—尺寸作为单元大小对整体进行划分，虽然在模拟求解过程会有网格重划分现象，据上所述，也可采取重新划分网格原则来处理，因为在本次异步冷轧模拟过程分为咬入阶段和稳定轧制两个阶段。图31网格划分流程图3.4摩擦条件的确定轧件与轧辊之间的接触摩擦问题是十分重要的，可以说，没有摩擦，轧制过程就不能建立，而摩擦又使轧制压力、能耗增加，表面质量变坏，并导致工具磨损。在非线性状态分析中，接触问题是—种很普遍的状态非线性行为。常见的接触问题可分为两种基本类型：刚体—柔体的接触和半柔体—柔体的接触。对于金属成形问题，大都看作刚体—柔体的接触。在此次模拟过程中，轧辊可视为刚性体，轧件为柔性体。在求解问题之前接触区域，表面之间是接触或分开是未知的、突变的，它随载荷、材料、边界条件和其它因素而定；大多的接触问题需要计算摩擦，而供选择的摩擦模型大都是非线性的，摩擦使问题的收敛性变得很困难。金属塑性成形中摩擦力的作用机理是—个复杂的问题，它是不断变化的，同时受轧辊、轧件材料、温度、成形速度以及变形量等因素的综合影响。为了简化分析问题，提出了多种假设，建立了多种摩擦力数学模型，常用的方法有常摩擦因子模型、库仑摩擦定律、线性粘摩擦定律以及反正切摩擦模型等。这些理论的提出推动了摩擦理论的发展，但至今尚未形成统—的理论，对许多问题的解释还未取得—致的观点。此次轧制过程模拟，虽然轧制咬入和稳定轧制阶段是连续的，但鉴于Deform6.0还不够完善，可人为的将轧制过程分为咬入阶段和稳定轧制阶段。为保证能够正常的咬入，需人为的加设推块，并设置较大的咬入摩擦系数，根据经验，并结合Deform模拟效果，设定咬入阶段的摩擦系数为0.7；考虑到过大的摩擦力会使轧制压力、能耗增加，表面质量变坏，并导致工具磨损，稳定轧制阶段不需过大的摩擦力，参照给定的模拟方案，取摩擦系数为0.4。3.5推块速度的确定加设推块是为了保证轧件成功的咬入，但是过大的推块速度会导致轧件弯曲，不能正常的咬入，故所设定的推块速度应该小于轧辊速度的水平分量。在稳定轧制阶段，轧件的推进靠的是轧辊转动所产生的摩擦力，故此时已无需推块，但考虑到Deform6.0无法设定推块速度为零，将其设定为很小值即可。

第四章异步冷轧钢板轧制方案的确定4.1摩擦系数的确定金属塑性成形中摩擦力的作用机理是—个复杂的问题，它是不断变化的，同时受轧辊、轧件材料、温度、成形速度以及变形量等因素的综合影响。随着轧制速度的提高，摩擦因数降低。摩擦因数与尺寸参数和轧制平均单位压力都有影响。综合考虑选择摩擦系数：0.4。4.2异速比的确定为了保证异步轧制的稳定运行，异速比不能不能过大，同时轧制时，通常应保持前张力大于后张力。此次模拟，为了清楚的表明异速比对轧制过程模拟的影响，取异速比为1.2和1.8两组。这样在保证稳定咬入的情况下，可以分析轧制时异速比的影响。4.3轧辊速度的确定最高轧制速度是冷轧机装备水平和生产技术水平低标志之一。通过查阅有关资料，目前实际生产中轧辊的速度一般在60/rmp以下，本课题主要研究变形量比对轧制过程的影响，任务书中选择下辊转速：20/rmp。4.4轧制方案的确定此次模拟研究的是异步冷轧钢板变形量的影响，压下量的确定将直接影响轧制过程和宽展的形成。压下量越大，宽展就越大。所以压下量的选择极为重要，由于轧件材料选择AISI_1015_(20-1200)，即15号钢。轧件尺寸h×50×100mm，轧件原始高度H为2mm，轧辊尺寸Ø130×200，在保证实验可以顺利进行的情况下，考虑到实验工艺参数的影响，同时考虑到多组合理的压下量可以横向对比，以便分析压下量对轧制过程和结果的影响，故选择压下量为0.60.81.01.2mm。将上述选定的工艺参数制定一个轧制工艺表，如表4-1所示。表4-1异步冷轧钢板模拟方案方案标号高度/mm压下量/mm温度/℃异速比下辊转速/rpm上辊转速/rpm摩擦系数120.6201.220240.4220.8201.220240.4321.0201.220240.4421.2201.220240.4520.6201.820360.4620.8201.820360.4721.0201.820360.4821.2201.820360.4

第五章异步冷轧钢板变形量的数值模拟5.1数值模拟的前处理5.1.1异步轧制过程的确定鉴于Deform6.0用于模拟轧制过程的特殊性，加之本身还不足够完善，为了准确分析轧制过程需将模拟过程分为如下两个阶段：1)咬入阶段。依靠转动着的轧辊与轧件之间的摩擦力，将轧件咬入轧辊，此过程即为shaperolling1。为了保证顺利咬入，在shaperolling1中，设定合适的摩擦系数，一般可取比稳定轧制时较大的值，通过移动轧件使之与轧辊相互接触；同时增加推块起辅助咬入的作用，但得保证推块的速度小于轧辊的水平线速度，否则模拟过程中可能出现轧件在外加推块的作用下发生弯曲；上下辊速度相同也有利于咬入阶段的顺利进行，故咬入阶段可设为等速轧制。2)稳定轧制阶段。当轧件被轧辊咬入后开始逐渐填充辊缝，以后开始稳定轧制，此过程即为shaperolling2。shaperolling2是轧制最为关键的过程，由前讨论，可参照表4-1确定参数，此阶段推块不起作用，设定为较小值即可，上下辊速度可由给定的异速比来确定。5.1.2前处理过程的确定在菜单中选择shaperolling，添加shaperolling1和shaperolling2。1）在shaperolling1中，由于是冷轧，设定轧辊，轧件和推块的温度都为20℃；增加推块起辅助咬入，并设定推块的速度小于咬入阶段轧辊的水平线速度，取v=20mm/s；轧件横截面的尺寸为2×50，轧件单元设定为1×1×2，简便起见，模拟过程设定为对称模拟，故横轧件截面网格取50；轧件长度为100mm,故轧件网格层数划分为50；考虑到模拟所需的步数不会太大，为能细致的查看各阶段情况及数据，设置stepincrement选项为1，即每一步保存一次数据；经过前期的模拟实验，发现此方案模拟咬入比较容易，推块与轧件在前五步已能保证咬入，而模拟的主要阶段为稳轧阶段，故设定步数为5；稳轧阶段每步轧件前进等分长度的1/2，故轧件每步前进L=1mm，通过计算设定timeperstepΔt=L／v=0.05s。咬入阶段步长及时间参数输入见图5-1（a）。2）shaperolling2中,由于轧件与轧辊之间的摩擦力已能保证轧件正常向前推进，已经不需要推块，故此时设定推块的速度很小即可，设为0.01mm/s。在稳定扎制阶段轧件前进L，而轧件每步前进1mm，由于咬入阶段行进的距离较短，为保证得到较为稳定的轧制阶段，可使轧件前进较多的距离，设步数为95，设置stepincrement选项为仍为1，timeperstep要根据快辊的速度设定，轧件每步前进1mm，根据上辊转速及辊径可计算出轧辊的水平线速度大约为136mm/s故Δt=1／136=0.007s。稳轧阶段步长及时间参数输入见图5-1（b）。5.2运行DEFORM数据库全部做完DEFORM前处理后，检验数据，并保存数据库文件，点击run选项即进入模拟运行阶段。此阶段所需的时间比较长，在运行时，可以随时暂停并进入后处理检查是否正确。a)咬入阶段b）稳轧阶段图5-1咬入及稳轧阶段步长及时间参数输入5.3数值模拟的后处理根据本课题研究需要，导出所需数据，记算轧辊的平均轧制力；记录稳定轧制阶段轧件等效应变、等效应力、最大主应力以及最大破坏系数和轧件出辊处的水平速度差；在DEFORM后处理中截取相应的图表，并整理表格以便分析使用。经过比较，模拟实验方案2的轧制力分布比较理想，故取实验方案2来进行分析说明，其他各实验方案，分析方法一致。由于轧件变形区及轧制过程所耗费时间主要集中在稳定轧制阶段，具有实际研究意义的是稳定轧制阶段。5.3.1轧制力、等效应变、等效应力、最大主应力数据处理图5-2为方案2稳定轧制阶段轧制力分布曲线，由于影响轧制力的因素较多，瞬时接触面积及摩擦力的改变都会导致轧制力的变化，所以稳轧阶段的轧制力也不会是一条水平的直线，会随着时间上下波动，但较为理想的稳定轧制阶段其波动范围不会很大，且呈现周期性变化。当然咬入阶段属于不稳定轧制，轧制力曲线波动必然较大且不规则，这也能区分咬入和稳轧阶段。图中可清楚地看出轧件在时间0.348s时已经进入稳定轧制阶段，将其数据导出，取其中较为规则平整的一段，即0.348～0.768s时间段的轧制力数据。运用excel进行数据处理，计算其平均值并作为该方案下的轧制力。其他方案作相同处理，得出各方案下的轧制力数值。用类似的方法计算出该方案下轧件的等效应变、等效应力、最大主应力（所取时间段全为0.348～0.768s以便作比较）。分别见图5-3、5-4、5-5。其他方案作相同处理。图5-2轧制力曲线图5-3等效应变曲线图5-4等效应力曲线图5-5最大主应力曲线5.3.2损伤值数据处理利用轧制成型方法得到的制品无法避免出现一定程度的损伤，尤其是异步轧制时，轧件与速度较快的工作辊接触的地方损伤更为严重，根据实际生产的需要，分析损伤值具有重要的应用价值。图5-5为损伤值分布曲线。计算出方案2，时间段为0.348～0.768s的平均损伤值。其他方案作相同处理。图5-6损伤值曲线5.3.3轧件出辊处质点运动水平速度数据处理异步轧制时，由于上下工作辊转速不同，其结果必然导致轧件与上下辊接触的部分速度也不同。一般轧件速度由轧辊速度决定，随着轧辊转速变快，轧件出辊处质点运动水平速度也会加快。而对实际生产过程中更为有实际应用价值的是轧件出辊处质点运动水平速度差值大小，它会影响轧制力，轧制变形程度，以及损伤值。故将数据处理的重点放在速度差值上。选中Objectnodes-Velocity选项，点击出口截面轧件上下边缘，记录这两点的速度值，并求其上下速度差。由于步数不同，其速度差值也会不同，将不同方案进行比较可发现：每一方案下，当步数在四十到六十步之间时，其速度差值比较接近。故以后每一方案所做的速度差都取第四十步，这样方便做纵向比较。其他方案做相同处理得出各方案的速度差。图5-7为速度差值显示图。图5-7轧件出辊处质点运动水平速度差值显示图5.3.4后处理数据汇总经过上面的数据处理，可获得各方案的轧制力、等效应变、等效应力、最大主应力、损伤值和轧件出辊处质点运动水平速度差值。现将数据汇总整理得出表5-1。表5-1异步冷轧稳定轧制阶段后处理数据汇总方案轧制力/N轧件等效应变/mm/mm轧件等效应力/MPa轧件最大主应力/MPa轧件破坏系数轧件出辊处速度差/mm/s1182320.20.501870.5461114.5870.1964.6232226433.70.740875.9381085.5950.3123.7693258129.80.990876.3501123.8730.4082.4274279406.51.232885.4401208.3420.5412.2475176721.40.504863.9961070.7570.2114.6566213419.00.736868.4451102.0200.3265.6807277304.41.080885.1931246.2880.420-4.0928277624.61.250886.2421039.1220.5533.193第六章变形量对钢板异步冷轧过程影响的数值模拟分析6.1轧制力、等效应变、等效应力、最大主应力分析6.1.1轧制力、等效应变、等效应力、最大主应力和压下量关系曲线绘制利用DEFORM后处理的数据，以压下量为横坐标，轧制力、等效应变、等效应力、最大主应力为纵坐标，在origin软件中做出相应曲线。八个方案为两个异速比下的不同变形量对轧制力、等效应变、等效应力、最大主应力的影响，故所得的图形为异速比分别为1.2和1.8的两条曲线，所作的图为6-1、6-2、6-3、6-4。图6-1轧制力和压下量关系曲线图6-2轧件等效应变和压下量关系曲线图6-3轧件等效应力和压下量关系曲线图6-4轧件最大主应力和压下量关系曲线6.1.2轧制力、等效应变、等效应力、最大主应力和压下量关系曲线结论图6-1表明，随着压下量的增加，轧制力增加。因为随着压下量的增加，轧件发生塑性变形所需要的能量增加，由能量守恒定律可知，外力做的功变大，轧制力增加。等效应力与单向应力状态的变形抗力等效，即同一金属在相同的变形温度和应变速率条件下，对任何应力状态下，无论是初始屈服还是变形过程中的继续屈服，只要用等效应力来表示，最终变形效果相同。所以轧件等效应力与轧制力是相关的，其变化趋势也相同。如图6-3所示，随着压下量的增加，轧件的等效应力增加。类似于轧件等效应力与轧制力相关，轧件的等效应变与压下量也是相关的，如图6-2所示，随着压下量增加，轧件的等效应变增加。图6-4表明，异速比为1.2时，轧件最大主应力随压下量先下降后上升；异速比为1.8时，轧件最大主应力先上升后下降。6.1.3轧制力、等效应变、等效应力、最大主应力和压下量关系曲线分析轧制时轧制变形区出口和入口金属互相制约互相影响，实际上由于压下量、接触弧形状、摩擦条件、进出口处的单位秒流量等时刻都存在差异，这就会导致轧制力、等效应力、等效应变、最大主应力都会有些波动。但是较为理想的稳定轧制，这种波动应该是可控的，并且在一定范围之内，这样所得到制品的质量才能优质。在异步轧制条件下，由于两辊之间有速度差，使得快辊与慢辊之间会产生切应力，这种切应力除了抵消摩擦阻力产生的“摩擦峰”之外，还可发挥对轧件产生剪切变形的作用，从而大大降低了轧制力，并改善了轧件的变形条件。这样，轧件在异步轧制过程中对于剪切力作用的大小自表层向中间产生一定切变量，并在轧制过程中形成剪切区，俗称搓轧区，这就是异步轧制可降低轧制力的一个重要原因。在压下量一定的条件下，异速比越大，平均单位压力越小，轧制压力降低的幅度越大。变形区内的搓轧区改变了轧件的应力状态，由于剪切变形的存在，使异步轧制的轧薄能力大幅度提高，异速比越大，其优势也越能体现。反应在图6-1和6-3中，就是除了方案7，其它的方案在压下量相同的情况下，异速比为1.8的轧制力和等效应力都小于异速比为1.2的。只有当慢速辊接触弧上全为后滑，快速辊接触弧上全为前滑时，才能很好的消除外摩擦对金属变形的阻碍作用。方案7出现轧制力、等效应力、最大主应力突然变大的原因可能为：在此实验方案下即异速比为1.8、压下量为50%的冷轧时,综合考虑压下量、接触弧形状、摩擦条件、进出口处的单位秒流量等因素导致的结果是慢速辊接触弧上为前滑，快速辊接触弧上为后滑，即异步轧制消除外摩擦对金属变形的阻碍作用的优势没有得到体现。那么由于变形量的增加，轧制力、等效应力、最大主应力可能会上升。而当压下量继续增大时，异步轧制的优势又能突显，所以方案8的轧制力、等效应力、最大主应力转而下降。此次模拟方案是以前方案的改进版，以前的模拟结果也出现在异速比为1.8、压下量达到某一值时，轧制力、等效应力、最大主应力会突然上升，这就排除了偶然性的模拟错误。这种推测也可由后面轧件弯曲示意图来证实，其它七个方案的轧件向下弯曲，而方案7轧件向上弯曲。最大主应力是用来描述轧件的实际受力情况，它的大小决定了材料是否出现裂缝和受剪切破坏。图6-4中可以看出模拟方案7即异速比1.8、压下量为50%时，最大主应力出现峰值，这也与图6-1和6-3轧制力和等效应力在方案7是出现峰值相对应。与此方案下轧件向上弯曲也是一致的。6.2损伤值分析利用DEFORM后处理的数据，以压下量为横坐标，损伤值为纵坐标，在origin软件中做出相应曲线，所作的图为6-5。由图6-5可知，随着变形量的增加，轧件损伤值也会增加。金属塑性成形中的塑性断裂是一个复杂的过程，塑性裂纹的出现是变形区的应力、应变、应变速率、温度以及变形材料抵抗塑性断裂的能力共同作用的结果。在轧制过程中，轧件材料的损伤是一个动态的发展过程，随着轧制过程的进行，轧件与轧辊宽度中心线对应的中心部位损伤值不断增加，此处的损伤值也较其他部位的大。当达到材料的损伤值的极限后，此部位材料首先产生微观裂纹，裂纹在交变应力作用下，沿着中心线的轧制方向扩展，从而形成此处材料的疏松，严重时产生宏观的孔腔。图6-5轧件损伤值和压下量关系曲线综上所述，对于给定的材料，由于损伤值随压下量的增大而增大，为保证所得轧件的质量，所以轧制时的压下量不能过大，以防止模拟出的损伤值超过给定值。而以上对损伤值和压下量关系的研究为此提供一定依据，对于指导生产实践十分有用。6.3轧件弯曲程度的分析在DEFORM后处理中截取八个方案下的轧件弯曲示意图，如图6-6和6-7所示。a)b)c)d)图6-6方案1-4轧件的弯曲示意图对应的压下量a）为0.6b）为0.8c)为1.0d)为1.2a)b)c)d)图6-7方案5-8轧件的弯曲示意图对应的压下量a）为0.6b）为0.8c)为1.0d)为1.2上辊线速度大于下辊线速度，使得轧件上部分的材料秒流量大于下半部分，轧件向轧辊线速度较小的一侧弯曲。如图6-6方案1、2和3及图6-7方案5和6所示。轧件的弯曲是一个错综复杂的问题，并非完全是摩擦力作用的结果，来料厚度、变形程度、轧件上下表面温度等均对其有影响，也与搓轧区在变形区所占比例有关。另外还与快慢辊侧材料的前滑差和辊速差的影响有关。考虑到轧件上下表面有温差，轧件会向温度较低的一面弯曲。轧制时上下辊与轧件接触面摩擦力可能也会有差别，轧件会向摩擦力较小的一侧弯曲。所以随着压下量增加，弯曲可能会发生反转。如图6-6方案4及图6-7方案7、8所示。6.4轧件出辊处质点运动水平速度分析利用DEFORM后处理的数据，以压下量为横坐标，轧件出辊处质点运动水平速度为纵坐标，在origin软件中做出相应曲线，所作的图为6-8。图6-8轧件出辊处速度差和压下量关系曲线当上下两辊转速不同时，会在一特定区域内使之作用在上下两辊的摩擦力方向不同。上辊速度大于下辊，由于摩擦力的作用，轧件与上辊接触区的摩擦力是逆着上辊旋转的方向，轧件与下辊接触区的摩擦力是沿着下辊旋转的方向，所以在这两个区域内，必然存在着一个摩擦力为零的中性层，它的位置是随着上辊转速的增加而越接近上辊，此时摩擦力逆着轧辊转动方向的区域增大，摩擦力阻碍轧件速度增加。两辊之间的速度差，导致快辊与慢辊之间会产生切应力，这种切应力除了抵消摩擦阻力产生的“摩擦峰”之外，还可发挥对轧件产生剪切变形的作用，从而使与上辊接触的金属流动速度大于与下辊接触的金属。一般随着异速比的增加，搓轧区也在增大，这种不均匀的现象更为剧烈。反应在图6-8中就是异速比为1.8的曲线除1.0的压下量，其它的速度差值大于异速比为1.2的曲线。综合考虑压下量、接触弧形状、摩擦条件、进出口处的单位秒流量等因素，可能会引起与下辊接触的材料速度大于与上辊接触的材料，这就导致异速比为1.8的曲线在压下量为1.0时出现速度差为负值。这样图6-8就与图6-1到6-4及轧件弯曲示意图形成对应关系。6.5最佳模拟方案的确定随着压下量的增加，轧件发生塑性变形所需要的能量增加，引起轧制力和等效应力增加，从而导致能耗增加；最大主应力的大小决定了材料是否出现裂缝和受剪切破坏，所以最大主应力不能过大；损伤值不能过大，否则会产生微观裂纹和材料疏松；增大压下量可以提高生产率。综合以上可以确定最佳模拟方案为方案2，即异速比为1.2，压下量为0.8。

小结本课题为变形量对钢板异步冷轧过程影响的数值模拟分析，设计好轧制方案，用DEFORM软件进行异步轧制模拟，然后进入DEFORM后处理界面进行数据处理。将处理后的数据绘制成表格，并作出轧制力、轧件等效应变、轧件等效应力、轧件最大主应力、轧件损伤值、轧件出辊处速度差和压下量关系曲线。由表格或关系曲线可知，在异步冷轧过程中随着轧件压下量的增加，轧制力、等效应变、等效应力、最大主应力、损伤值大部分是逐渐增加的；轧件出辊处速度差一般却随着压下量的增加而减小。压下量相同时，随着异速比的增大，轧制力、等效应变、等效应力、最大主应力、损伤值、出辊处速度差一般也会增大。但是方案7出现了严重的偏离，于是可以得到如下结论：在给定异速比的情况下，会在某一压下量下出现异于异步轧制的可能，即异步轧制的特点被严重削弱。这样就能逆向得到最佳模拟方案，可以为生产实践提供指导。以上结论只是在几组方案下模拟而得，所得模拟数据不能排除偶然性的结果；对于方案七的只是鉴于可能性而言，应该再对DEFORM模拟方案进行修改，以证实以上结论。

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