有限元在板材軋制過程中的應用

1、有限元在板材軋制過程中的應用作者：寶山鋼鐵集團技術中心 陰雪蓮焦四海1前言金屬板帶熱軋過程是一個非常復雜的彈塑性大變形過程，既有材料非線性、幾何非線性，又有邊界接觸條件非線性變化,因此其變形機理非常復雜，難以用準確的數學關系式來描述。隨著板帶軋制技術的日益發(fā)展 ，人們對其在成型過程中的變形規(guī)律、變形力學的分析越來 越重視。有限元技術隨著大型有限元模擬軟件的日益成熟和完善，已成為一種被廣泛應用于板帶軋制過程的有效的數值計算方法。ABAQUS軟件提供了復雜的非線性分析程序，且擁有功能強大的子程序接口。因此無論是從計算收斂性、精確程度的角度，還是從方便程度的角度，均有較高的優(yōu)選價值。2板材軋制過程的

2、應用分析2.1鋼板加速冷卻過程中殘余應力分析加速冷卻工藝廣泛應用于生產高強度、高韌性和具有良好-焊接性的鋼板，但客戶卻普遍反映鋼板帶有一定的殘余應力，影響后續(xù)加工。這里用有限元方法分析了加速冷卻過程中鋼 板的殘余應力，并在其中嵌入了用戶子程序，體現了相變對力學性能的影響。2.1.1有限元模型模型中板坯采用了寬度為 3.5m的低碳微合金鋼，厚度分別為20mm、30mm、40mm和50mm。為節(jié)省計算時間并確保計算精度，板坯的長度定為4m，寬度方向按對稱面取一半進行分析，如圖1所示。材料的力學性能通過軟件的用戶子程序來實現，考慮到了冷卻速 度、相變及相變溫度的影響。圖1板坯網格劃分將冷卻過程分為兩

3、個階段，首先從750 C開始進行10s的噴水冷卻，然后進行第二個階段的空冷。對于20mm厚的板坯，水冷的平均冷卻速度約為25 C /s，冷卻到平均溫度 500 C截止。在分析切割后鋼板的扭曲變形時，用到了ABAQUS 中element remove 的功能。作為初步研究，僅計算了切邊寬度為500mm的情況。2.1.2分析方案這里研究了板坯不同初始狀況對殘余應力的影響，板坯的初始狀況包括初始溫度分布及板坯凸度。初始溫度分布包括整體750 C的均勻分布和邊部 710 C、心部750 C在寬度方向呈拋物線趨勢的不均勻分布。板坯凸度是指板坯中部和邊部厚度的差值，這里分別研究了凸度為0mm、0.25mm

4、、0. 5mm 和1mm的情況。在實際生產中，初始溫度均勻分布、凸 度為0的情況是不可能存在的，模擬這種情況只是作為參照比較的依據。這里主要分析厚度為 20mm的板坯，用以闡明初始狀況對冷卻過程的溫度變化、殘余應力 分布、切割后的板條變形情況的影響。2.1.3計算結果1.初始狀況對板坯溫度的影響o200.4o.aCnownCnwOa凸度O.S1(p)代 InIRJvfilua I3Co r nc .rb初始溫度度分布13754555Thickr 毎 m CrmJc厚度i&lLd凸度和初始溫度分布圖2各種因素對水冷后板坯溫度的影響圖2-a展示了凸度對板坯水冷后典型節(jié)點溫度的影響。凸度的增加導致了

5、水冷后心部溫度 較高，而對邊部和角部溫度影響并不大。初始溫度分布對水冷后板坯典型節(jié)點溫度的影響如圖2-b所示。在心部，溫度并沒有太大差別，而邊部和角部的溫度差別則比較大，初始溫度分布不均勻的板坯邊部和角部溫度較 低，尤其是在水冷之后。對于初始溫度均勻分布的板坯，邊部和心部的溫差為386 C,角部和心部的溫差為 424 C;對于初始溫度非均勻分布的板坯，溫差分別為393 C和429 C。以上的分析表明雖然板坯的初始狀態(tài)對殘余應力的產生有一定影響，但水冷階段的不均勻冷卻才是主要原因。對于厚板，這種水冷的不均勻性要大于薄板。具有不同厚度、凸度為1mm、初始溫度不均勻分布的板坯10s水冷后的溫度分布情

6、況如圖2-c所示。隨著板厚的增加，邊部和角部的溫度并沒有明顯的變化，然而心部的溫度卻從535 C變到了 735 C。這種由板坯厚度引起的溫差要遠遠大于由初始溫度和凸度引起的溫差，將導致板坯中產生 較大的殘余應力。2.殘余應力分布及切割后板條的變形情況板坯沿縱向切割后，斷面的殘余應力得以釋放，板條發(fā)生變形，如圖3和圖4所示。在切割完的0.5m寬的板條上，殘余應力從 200MPa左右變化到約60MPa，邊部和端部的應力 值較低。圖7展示了切割下來的板條在1方向（寬度方向）的位移?？拷叢康奈灰浦禐檎?，而靠近切割面的位移值為負。兩端的正位移值要大于中部的，而兩端的負位移值的絕 對值要小于中部的，板條

7、的中部向外側發(fā)生彎曲。初始溫度分布不均勻的板條變形更大一 些。圖3切割后板條的殘余應力圖4切割后板條的變形情況2.2板材軋制過程傳熱分析在設計軋機前，需要計算在軋制時軋件傳遞了多少熱量給軋輥，這對軋輥的設計有著重要 意義。這里，軋制過程每道次的壓下率要求都比較大，累積壓下率達到了95%，在長度方向上延伸率達到了 26倍。圖5是軋制前的網格分布，圖 6是軋制后的網格分布。在這里用到了 “DISTORTION CONTROL ，使計算不會因網格變形過大而停止。圖5軋制前的網格分布圖6軋制前的網格分布圖7典型節(jié)點示意下面是有限元計算得到的結果，其中次軋件在第一和第二道被壓下處各點的溫度分布如圖8所示

8、，并計算得到了軋輥的溫度變化，這些結果對生產設計起到了指導作用。ROLLIHG POSITION （皿a第一道次0)困己尋B臣邑-660-3S0 -ISO 502 50460ROLLING POSITION (mm)b第二道次圖8軋件溫度分布2.3 MAS軋制平面形狀控制分析平面形狀控制技術是現代寬厚板軋機標志性技術之一。國外已采用MAS等平面形狀控制技術提高寬厚板的成材率。該技術通過預測每塊鋼板軋制終了的平面形狀變化量，給出相應的壓下量來控制輥縫的開度以改變板坯的厚度，最終使鋼板的平面形狀成為矩形。控制過程如下：(1) 由預報模型求得邊部和端部形狀的變化量，把它換算成成形軋制最終道次的板厚分

9、布；(2) 在成形軋制的最后一個道次中 ，給沿長度方向相應各點以規(guī)定的厚度差，如圖9所式；-175-125-75-25 茁 75125175沿栓度方向橈置tmm)肯巴蝕wEt圖9 MAS軋制的厚度分布(3) 將板坯回轉90進行展寬軋制，由于寬向厚度不同，從板邊到板中心的壓下率也不同，從而使平面形狀得以改善。MAS 軋制法的要點是正確預報終軋后的形狀,定量取得軋制過程中的平面形狀變化。用有限元方法分析 MAS 軋制過程的金屬流動變形對指導生產及提高成材率均具有一定的實際 意義。3 結論與體會隨著計算機軟硬件技術以及有限元計算技術的發(fā)展 , 有限元法在板帶軋制問題方面的應用 已較成熟。在中厚板熱軋

10、成形過程中采用有限元方法進行數值模擬分析可以為實際生產提 供合理的工藝參數 ,加速新材料新工藝開發(fā)速度，精確的預估、更好的實現設計，減少物理 模型的數量，降低開發(fā)成本?？傊诟鱾€方面都預示著，有限元在板材軋制的各個環(huán)節(jié)將 發(fā)揮著重要的作用。參考文獻1 AB AQUS 6.5 User s Manual2 Sihai Jiao, Xuelian Yin. FEM Simulation of the Residual Stress in Steel PlatesExperienced Accelerated Cooling. Materials Science & Technology ConferenceProceedings.20053 C Ouchi ， Development of Steel P