有限元在板材軋制過程中的應(yīng)用

1、有限元在板材軋制過程中的應(yīng)用作者：寶山鋼鐵集團(tuán)技術(shù)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(fù)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(jī)理非常復(fù)雜，難以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)關(guān)系式來描述。隨著板帶軋制技術(shù)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(xué)的分析越來 越重視。有限元技術(shù)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(yīng)用于板帶軋制過程的有效的數(shù)值計算方法。ABAQUS軟件提供了復(fù)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(yīng)用分析2.1鋼板加速冷卻過程中殘余應(yīng)力分析加速冷卻工藝廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)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(yīng)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(yīng)力，并在其中嵌入了用戶子程序，體現(xiàn)了相變對力學(xué)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(jìn)行分析，如圖1所示。材料的力學(xué)性能通過軟件的用戶子程序來實現(xiàn)，考慮到了冷卻速 度、相變及相變溫度的影響。圖1板坯網(wǎng)格劃分將冷卻過程分為兩

3、個階段，首先從750 C開始進(jìn)行10s的噴水冷卻，然后進(jìn)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(yīng)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(chǎn)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(jù)。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(yīng)力 分布、切割后的板條變形情況的影響。2.1.3計算結(jié)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(dǎo)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(yīng)力的產(chǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于由初始溫度和凸度引起的溫差，將導(dǎo)致板坯中產(chǎn)生 較大的殘余應(yīng)力。2.殘余應(yīng)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(yīng)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(yīng)力從 200MPa左右變化到約60MPa，邊部和端部的應(yīng)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(fù)。兩端的正位移值要大于中部的，而兩端的負(fù)位移值的絕 對值要小于中部的，板條

7、的中部向外側(cè)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(yīng)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(shè)計軋機(jī)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(shè)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(dá)到了95%，在長度方向上延伸率達(dá)到了 26倍。圖5是軋制前的網(wǎng)格分布，圖 6是軋制后的網(wǎng)格分布。在這里用到了 “DISTORTION CONTROL ，使計算不會因網(wǎng)格變形過大而停止。圖5軋制前的網(wǎng)格分布圖6軋制前的網(wǎng)格分布圖7典型節(jié)點示意下面是有限元計算得到的結(jié)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(jié)果對生產(chǎn)設(shè)計起到了指導(dǎo)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(shù)是現(xiàn)代寬厚板軋機(jī)標(biāo)志性技術(shù)之一。國外已采用MAS等平面形狀控制技術(shù)提高寬厚板的成材率。該技術(shù)通過預(yù)測每塊鋼板軋制終了的平面形狀變化量，給出相應(yīng)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?？刂七^程如下：(1) 由預(yù)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(yīng)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(zhuǎn)90進(jìn)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(yù)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(dǎo)生產(chǎn)及提高成材率均具有一定的實際 意義。3 結(jié)論與體會隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)以及有限元計算技術(shù)的發(fā)展 , 有限元法在板帶軋制問題方面的應(yīng)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(jìn)行數(shù)值模擬分析可以為實際生產(chǎn)提 供合理的工藝參數(shù) ,加速新材料新工藝開發(fā)速度，精確的預(yù)估、更好的實現(xiàn)設(shè)計，減少物理 模型的數(shù)量，降低開發(fā)成本?？傊诟鱾€方面都預(yù)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(xiàn)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