中厚板矫直力的有限元分析

中厚板矫直力的有限元分析

1矫直过程机理辊式矫正机是保证板带材料的平整度，消除剩余应力，或均匀分布剩余力的重要设备，决定了板材的最终生产工艺和质量。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,然后对矫直规程和压下工艺进行优化,以指导实际生产。本课题以某厂七辊矫直机为研究对象,研究整体倾斜式矫直工艺。2矫直辊模型的建立应用大型有限元仿真软件MARC建立七辊矫直过程模型,矫直机的辊颈为260mm、辊距为280mm、辊身长度为2450mm,矫直辊为三上四下这样的布置方式如图1所示。钢板的几何尺寸为2000mm×1600mm×20mm,在有限元模型中接触类型为库伦摩擦,摩擦系数为0.25。为了简化计算将矫直辊简化为刚体,角速度为16.5rad/s。钢板划分选用7号六面体单元。在Marc中采用高级拉伸功能,将平面网格沿曲线拉伸,如图2;应用Marc的高级扩展功能,获得给定原始曲率C0=3,板长2m的板材三维网格,如图3),共划分有限元网格的划分为60×40×6=14400个单元格。为了减少计算量,依据实际矫直模型的对称性,取轧件的1/2建立1/2有限元模型,在轧件的对称面上施加对称边界条件。本模型所用钢板为Q235,在温度超过600℃时,材料应力应变曲线会有一个很明显的变化,仿真模型的矫直温度很高,为650℃,温度越高钢板的变形抗力越低,矫直辊所受的矫直力就越小,取矫直时的温度为650℃,材料模型中有关的参数为:泊松比μ=0.29;弹性模量E=1.42×1011Pa;密度ρ=7650kg/m3;屈服极限=1.41×108Pa;屈服极限点应变=1×10-3m。最后得到材料模型如图4所示。3直机力学行为分析3.1矫直力大小理论在整体倾斜矫直方案中,将有限元仿真值和理论计算值同实测值进行对比来验证模型的可靠性,不同的压下量对应着不同的矫直力能参数,上排三辊的压下量分别为2mm、1.4mm、0.8mm,设原始曲率C0=3。根据矫直理论,可以通过已知的压弯量反求出弯矩,通过弯矩可以知道矫直力大小。矫直辊压弯量:δi=δwi+12[δw(i+1)+δw(i−1)](1)δw=δtCwδi=δwi+12[δw(i+1)+δw(i-1)](1)δw=δtCw矫直辊弯矩:M=Mt(1.5−0.5Cw)(2)Μ=Μt(1.5-0.5Cw)(2)矫直力:Fi=2p(Mi−1+2M+Mi+1)(3)Fi=2p(Μi-1+2Μ+Μi+1)(3)总矫直力:F=∑Fi通过计算可以知道矫直力大小,表1为与实测值的数据对比。因为采用材料模型为理想模型因而仿真值偏小,总体来说有限元模型模拟计算的矫直力与现场实测值误差较小,模型的可信度较高。3.2矫直前后钢板残余应力在钢板的中线附近取一列点作为路径,然后从仿真结果中提取出来,该路径的应力应变数据如图5所示。矫直后钢板长方向上的挠度大大降低,达到了预期的效果,但矫直后钢板出现了不可避免的残余应力,如图6示,而且在该条路径上纵向上最大残余应力小于100MPa,该模型达到了预期的效果。从矫直后的等效应力应变曲线可以看出矫直后纵向上的应力分布不是很均匀,并呈现一定的波浪形。3.3矫直方案对比分析本课题具体的矫直方案共有四种,一种为大变形矫直方案,一种为小变形矫直方案,另外两种为整体倾斜方案中的小倾角矫直方案1和大倾角矫直方案2。根据矫直弯曲理论计算出的大变形矫直方案的入口及出口辊压弯量确定的倾斜1矫直方案入口压弯量为δ2=2δw2=2.2mm,出口压弯δ6=2δt=0.526mm,倾斜角度为tanθ=δ2−δ62t=1.674560tanθ=δ2-δ62t=1.674560。倾斜2矫直方案采用入口辊压下量2.2mm,出口辊压下量为0mm,倾斜角度为tanθ=δ2−δ62t=2.2560tanθ=δ2-δ62t=2.2560,式中t为矫直辊两辊中心距离。从图7～图10中可以看出,板材的横向内应力分布均匀,纵向内应力分布不均匀,波动比较大。大变形矫直方案与倾斜1矫直方案板材的横向内应力分布均匀,纵向内应力变化较大;小变形矫直方案和倾斜2矫直方案的板材残余应力值较大且横向分布不均匀。相比较大变形矫直方案和倾斜1矫直方案的残余应力分布优于小变形矫直方案和倾斜2矫直方案。大变形矫直方案的残余应力分布最好,除板材头部和尾部由于咬入和抛出时的冲击应力比较大外,其应力分布均匀,优于其他3个矫直方案,因此四种矫直方案各有优劣势。图11为前面所取的路径沿板长度方向一列节点的Y方向的坐标分布。从图中可以看出,按大变形矫直方案矫直后的板材在长度方向最大挠度值17.76mm;而按小变形矫直方案矫直后的板材有头部上翘的现象,最大挠度值为10.35mm;由于所建钢板模型较短,在矫直抛出后,按倾斜1矫直方案和倾斜2矫直方案矫直后的板材出现沿矫直方向的倾斜现象。将不同矫直方案矫直后的矫直效果比较汇总为如表2所示。按照国标GB/T709-1988规定,当钢板厚度小于20mm时,平直度要小于10mm,三种矫直方案矫后的板材不平度都符合国标的要求。从表2中可以得出,两种倾斜矫直方案相比较大变形矫直方案和小变形矫直方案来说得到的板形要好,倾斜2矫直方案矫后板材的不平度是最好的,因此该方案的压下量可以作为实际生产提供参考。经过多次有限元仿真可知,虽然第六辊的压弯量很小但是对矫直效果影响很明显,在第二辊压弯量不变的情况下,矫直机第六辊的压弯量直接影响中厚板的翘曲,中厚板向下翘曲,说明最后辊的压弯量太小,因此需要进一步的增加压弯量,但如果最后辊的压弯量太大,那么中厚板会向上翘曲,如图12所示。4矫直力的应用1)把现场实测数据和有限元仿真数据进行对比后,该模型被证实是可靠地,误差较小,能够较真实地反映出矫直后钢板的应力应变状态,能为现场生产提供一定指导。2)矫直后钢板在纵向上仍存在一定的残余应力,并且呈现出一定的波浪形,但是其残余应力最大值为144MPa,达到了目标期望。3)充分对比了大变形矫直,小变形矫直,整体式矫直三种矫直工艺四种矫直方案,各种矫直工艺都有自己的优缺点。倾斜2矫直方案较为适合该厂矫直机的矫直工艺,上排三辊子的压下量分别为2.2mm、1.1mm、0mm