辊式矫直机钢板应力分析

辊式矫直机钢板应力分析

矫直机动态仿真直式机是保证板带的平整度，消除剩余压力，并均匀分布剩余压力的重要设备。它决定了钢板的最终生产工艺和质量。对冲孔过程的正确描述是确保冲孔生产质量的关键。但钢板的矫直是一个相当复杂的反复弹塑性变形过程,涉及到几何、材料和接触等多重非线性问题,传统的矫直理论无法全面描述,使得矫直质量难以控制。以往,通常采用物理模拟和试验的方法研究矫直参数与矫直质量之间的关系,不仅成本高、效率低,而且无法直观、定量地描述矫直过程中各种参量的变化规律。近年,随着计算机和有限元仿真技术的发展,国内外有关学者开始利用有限元软件对矫直过程进行分析,研究钢板在弯曲变形过程中各处的应力、应变的变化规律,在此基础上,对矫直规程和压下工艺进行分析和优化,以指导实际生产,提高生产质量。本文以某厂2250热轧精整横切机组中的11辊钢板矫直机为研究对象,建立钢板在矫直过程中的三维动态有限元模型。根据仿真得到的矫直力与实测矫直力进行比较分析,验证矫直机有限元模型的合理性;在此基础上,对钢板通过矫直机的整个过程进行动态仿真,重点分析钢板在矫直过程中横截面上的应力变化规律,并对各向应力的变化规律进行简要的阐述和分析;通过仿真分析,得到钢板在两种不同压下规程下(上抬1#辊和不上抬1#辊)的残余应力大小和分布情况,认为适当上抬1#辊的位置,可以降低矫后钢板的纵向残余应力,提高钢板的矫直质量。1采用概率法建立了这一过程的有限模型1.1生产线安全模型以2250热轧精整横切机组中2#矫直机为研究对象,矫直类型为冷矫中厚板,其中矫直机的基本参数如表1所示。由于模型关于生产线中心线对称,取钢板宽度1/2建模。为尽可能接近真实的工况,考虑夹送辊的引导作用,为保证矫直过程中轧件能完全保持在矫直机中,并节省仿真计算时间,取轧件尺寸为2400mm×2100mm×22mm,其单元尺寸为15mm×15mm×5.5mm,共44800个单元,在模型结构中将钢板放在1#矫直辊的前端。矫直机模型和轧件单元网格如图1所示。1.2钢板弹塑性变形材料模型仿真选用钢板材料为Q235,单元选8节点实体单元,采用单点积分以节省计算时间。由于矫直类型属于冷矫,钢板在矫直过程中发生反复弹塑性变形,因此轧件单元选用双线性各向同性材料模型,其中切线模量为屈服极限和强度极限之间的斜率,材料参数如表2所示。考虑矫直辊受到支承辊的作用,因而在模拟中视矫直辊为刚性体,定义材料属性时,将矫直辊和钢板的密度放大100倍,可以显著加快计算速度,而且可以忽略其所导致的误差。1.3过节点组件接触的模拟在矫直过程中,对矫直辊施加绕X轴线的转动,同时约束矫直辊X,Y,Z方向的平动和绕Y,Z轴线的转动,由于模型对称于纵向中心线,取其1/2进行仿真,通过节点组件的方式约束对称面X方向上的平动;钢板的前进主要靠矫直辊与钢板的摩擦带动,设定矫直辊与钢板的接触方式为自动表面-表面接触,接触类型为“刚体-变形体”接触,仿真过程中取矫直辊与轧件的静摩擦因数为0.15,动态摩擦因数取0.1,根据现场测试数据,取钢板的矫直速度为0.66m/s,分别对钢板和矫直辊施加Z向速度和绕X轴线的角速度。设定求解时间为10s,输出文件设定为150个子步,设定矫直辊与钢板上下表面的接触反力为矫直过程中的矫直力。2模拟结果分析2.1矫直机结构仿真分析对于中厚板矫直,在实际生产过程中采用大变形矫直理论,通过实际生产发现,对厚度为22mm,材质为Q235的钢板采用如下工艺参数,即1#辊上抬0.89mm,上排矫直辊水平压下0.2mm,倾斜压下量分别为1.05mm/0mm,矫后钢板质量较好。实测得到矫直过程中入口处液压缸的压力为5850kN;通过仿真可以得到在矫直过程中钢板对上排矫直辊的反作用力,然后根据上排工作辊和液压缸的实际结构位置,利用力矩平衡推算出入口矫直力,与实测液压力相比较,从而验证该有限元模型的合理性仿真设定钢板相对原始曲率为0,根据现场使用的工艺参数设定上排矫直辊的压下量、下排工作辊(1#辊除外)压下量为0,由于矫直机采用的是上排工作辊整体倾斜式调整,其他各辊的压下量可以通过线性插值得到。各辊的压下量如表3所示。仿真设定时间为10s,当t=2.312s时,轧件刚好全部进入矫直机,此时11个矫直辊均处于受力状态,由仿真分析得到上排矫直辊所受到的钢板反作用力,其大小如图2所示。由图2可知,4#辊下的矫直力最大,2#辊下的矫直力约为4#辊下矫直力的0.8倍,其他辊随着辊号的增加,矫直力逐渐减小,这是由于上排工作辊的压下量逐渐减小所致;由图2还可以观察到,2#辊在2.7s~3.7s时,矫直力发生了波动,这是由于此时钢板尾部脱离夹送辊而失去平衡,在各辊压下的作用下,钢板尾部产生上下振动,从而导致1#、2#辊上的矫直力的大小发生波动。矫直机上排辊的调整,是通过设置在入口侧和出口侧的4台液压缸实现。根据仿真得到的矫直力和各辊中心线间的相对位置,如图3所示,由力矩平衡公式可计算出入口侧液压缸所提供的入口矫直总力F为式中Fi———各辊所受力的大小Li———各辊与出口处液压缸的相对距离L———入/出口液压缸间的距离,L=1150mm由各辊矫直力和相对距离的参数,计算得F入=2929kN,F出=2350kN。由于仿真过程中所建立的模型为整个矫直机结构的1/2,因而入口矫直力为2F入,即入口处的两个液压缸的总力F=5858kN;已知实测的入口液压总力为5850kN,仿真计算结果与实际测量值吻合,证明本文建立的矫直机模型合理。2.2矫直过程中钢板应力的分布在上述模型的基础上,进一步分析钢板在矫直过程中横截面上的应力变化规律。当t=2.312s时,轧件刚好全部进入矫直机,且钢板尾部依然在夹送辊中,此时各辊都处于受力状态,板材上各应力的最大、最小值如表4所示,由表中可以看出,沿长度方向上的应力值最大,宽度和厚度方向上的应力相对较小,说明轧件在矫直变形的过程中,主要是纵向纤维在发生变形,即沿矫直方向的纵向应力在矫直过程中占主导地位。图4为纵向应力分布云图。由图4可知,钢板上表面沿矫直方向在各辊下的纵向应力呈现拉-压-拉的变化形式,当钢板在矫直机中沿着矫直方向前行时,钢板上的拉压应力也逐渐由钢板头部向尾部传递,表明在矫直过程中钢板的应力类似波形不断地从头部传向尾部。其中2#~8#辊下基本上都处于弹塑性变形状态,9#~11#辊下的纵向应力基本上都在235MPa(Q235的屈服极限)以下,即9#~11#辊下仅产生弹性变形。为更进一步了解在矫直过程中钢板应力的分布情况,选取钢板上表面路径AA为研究对象,如图5所示。设定路径的方式,是将各个方向上的应力值映射到节点上,得到矫直过程中沿钢板宽度方向的横向应力σx,厚度方向的应力σy,钢板长度方向上的纵向应力σz的分布图,如图6所示(矫直方向水平向左)。由图6可知,无压下量时,厚度方向的应力σy基本上为零,只有在有压下量时才会产生应力σy;钢板在3#、4#、5#辊下的纵向应力最大,这是因为3#~5#辊下的纵向应力是由两部分组成,即:该辊前面的辊所累积的部分残余应力,和由该辊下的压下量所导致的纵向应力。为反映纵向应力在整个矫直过程中的变化情况,取钢板上表面AA、BB路径的交点C处某一单元,绘制出其纵向应力的时间历程图,如图7所示,由图7可见,0s~3s为矫直区,3s~6s为应力释放区,6s~10s为稳定区(此时的应力为矫后钢板残余应力)。当t=10s时,钢板已经完全脱离矫直机,矫直机压下所产生的应力基本上释放完毕,钢板上的纵向应力值表征矫后钢板的残余应力。此时,钢板上表面AA、BB路径上的纵向应力分布如图8、图9所示。由图可知,矫后钢板在长度方向上和宽度方向上的纵向残余应力分布都比较均匀,基本上在由上述分析可知,钢板在矫直辊下的反复弯曲弹塑性变形过程中,初始应力的消除和残余应力的产生,主要是发生在纵向纤维上,中性层上的纤维基本上不发生变化,而上下表面的纵向纤维,则在各矫直辊间反复产生拉伸-压缩变形,在矫直过程中,钢板的应力类似于应力波不断地从头部传向尾部,钢板在离开矫直机后存在着应力释放现象,并最终趋于稳定。2.31矫直过程残余应力对比在传统矫直工艺中,下排矫直辊通常不进行调整。为适应大范围产品的生产,本矫直机设置了下辊调整装置。实际生产中发现,适当上抬1#辊的位置,能改善矫直后钢板残余应力的分布。这是因为,在夹送辊和2#辊的作用下,上抬1#辊的位置,即相当于在矫直入口侧多进行了一次反弯矫直,进而提高矫直后钢板的质量。通过两组数据对矫直过程后钢板残余应力进行分析,第一组仿真参数设定上抬1#辊,第二组仿真参数设定不上抬1#辊。取矫直后钢板上表面AA、BB路径为研究对象,两组压下规程下的钢板,在长度方向和宽度方向上的纵向残余应力σz如图10、图11所示。由图10、图11可以看出,两组压下规程下的残余应力分布都比较均匀,但1#辊的位置对长度方向和宽度方向残余应力的大小影响不同。在长度方向上,1#辊上抬时,钢板残余应力在零值上下波动,波动范围为-10MPa~10MPa;1#辊不上抬时,残余应力波动范围为-30MPa~-10MPa。显然1#辊上抬时残余应力分布更为均匀,表明1#辊上抬后能有效的改善钢板在长度方向上的残余应力分布。在宽度方向上,残余应力基本上一致,两者残余应力波动范围均为-15MPa~5MPa,表明1#辊的上抬对钢板宽度方向的残余应力分布和大小基本上没有影响。以上分析说明,适当上抬1#辊的位置,能改善矫后残余应力的分布,进而提高钢板矫直质量。3矫直力的模型1)当钢板完全进入矫直机中时,3#、4#、5#辊上的矫直力最大,其后的各辊依次减小,其中10#辊、1