中厚板矯直力的有限元分析

中厚板矯直力的有限元分析

1矯直過程機理輥式矯正機是保證板帶材料的平整度，消除剩余應力，或均勻分布剩余力的重要設備，決定了板材的最終生產工藝和質量。近年,隨著計算機和有限元仿真技術的發(fā)展,國內外有關學者開始利用有限元軟件對矯直過程進行分析,研究鋼板在彎曲變形過程中各處的應力、應變的變化規(guī)律,然后對矯直規(guī)程和壓下工藝進行優(yōu)化,以指導實際生產。本課題以某廠七輥矯直機為研究對象,研究整體傾斜式矯直工藝。2矯直輥模型的建立應用大型有限元仿真軟件MARC建立七輥矯直過程模型,矯直機的輥頸為260mm、輥距為280mm、輥身長度為2450mm,矯直輥為三上四下這樣的布置方式如圖1所示。鋼板的幾何尺寸為2000mm×1600mm×20mm,在有限元模型中接觸類型為庫倫摩擦,摩擦系數(shù)為0.25。為了簡化計算將矯直輥簡化為剛體,角速度為16.5rad/s。鋼板劃分選用7號六面體單元。在Marc中采用高級拉伸功能,將平面網格沿曲線拉伸,如圖2;應用Marc的高級擴展功能,獲得給定原始曲率C0=3,板長2m的板材三維網格,如圖3),共劃分有限元網格的劃分為60×40×6=14400個單元格。為了減少計算量,依據(jù)實際矯直模型的對稱性,取軋件的1/2建立1/2有限元模型,在軋件的對稱面上施加對稱邊界條件。本模型所用鋼板為Q235,在溫度超過600℃時,材料應力應變曲線會有一個很明顯的變化,仿真模型的矯直溫度很高,為650℃,溫度越高鋼板的變形抗力越低,矯直輥所受的矯直力就越小,取矯直時的溫度為650℃,材料模型中有關的參數(shù)為:泊松比μ=0.29;彈性模量E=1.42×1011Pa;密度ρ=7650kg/m3;屈服極限=1.41×108Pa;屈服極限點應變=1×10-3m。最后得到材料模型如圖4所示。3直機力學行為分析3.1矯直力大小理論在整體傾斜矯直方案中,將有限元仿真值和理論計算值同實測值進行對比來驗證模型的可靠性,不同的壓下量對應著不同的矯直力能參數(shù),上排三輥的壓下量分別為2mm、1.4mm、0.8mm,設原始曲率C0=3。根據(jù)矯直理論,可以通過已知的壓彎量反求出彎矩,通過彎矩可以知道矯直力大小。矯直輥壓彎量:δi=δwi+12[δw(i+1)+δw(i?1)](1)δw=δtCwδi=δwi+12[δw(i+1)+δw(i-1)](1)δw=δtCw矯直輥彎矩:M=Mt(1.5?0.5Cw)(2)Μ=Μt(1.5-0.5Cw)(2)矯直力:Fi=2p(Mi?1+2M+Mi+1)(3)Fi=2p(Μi-1+2Μ+Μi+1)(3)總矯直力:F=∑Fi通過計算可以知道矯直力大小,表1為與實測值的數(shù)據(jù)對比。因為采用材料模型為理想模型因而仿真值偏小,總體來說有限元模型模擬計算的矯直力與現(xiàn)場實測值誤差較小,模型的可信度較高。3.2矯直前后鋼板殘余應力在鋼板的中線附近取一列點作為路徑,然后從仿真結果中提取出來,該路徑的應力應變數(shù)據(jù)如圖5所示。矯直后鋼板長方向上的撓度大大降低,達到了預期的效果,但矯直后鋼板出現(xiàn)了不可避免的殘余應力,如圖6示,而且在該條路徑上縱向上最大殘余應力小于100MPa,該模型達到了預期的效果。從矯直后的等效應力應變曲線可以看出矯直后縱向上的應力分布不是很均勻,并呈現(xiàn)一定的波浪形。3.3矯直方案對比分析本課題具體的矯直方案共有四種,一種為大變形矯直方案,一種為小變形矯直方案,另外兩種為整體傾斜方案中的小傾角矯直方案1和大傾角矯直方案2。根據(jù)矯直彎曲理論計算出的大變形矯直方案的入口及出口輥壓彎量確定的傾斜1矯直方案入口壓彎量為δ2=2δw2=2.2mm,出口壓彎δ6=2δt=0.526mm,傾斜角度為tanθ=δ2?δ62t=1.674560tanθ=δ2-δ62t=1.674560。傾斜2矯直方案采用入口輥壓下量2.2mm,出口輥壓下量為0mm,傾斜角度為tanθ=δ2?δ62t=2.2560tanθ=δ2-δ62t=2.2560,式中t為矯直輥兩輥中心距離。從圖7～圖10中可以看出,板材的橫向內應力分布均勻,縱向內應力分布不均勻,波動比較大。大變形矯直方案與傾斜1矯直方案板材的橫向內應力分布均勻,縱向內應力變化較大;小變形矯直方案和傾斜2矯直方案的板材殘余應力值較大且橫向分布不均勻。相比較大變形矯直方案和傾斜1矯直方案的殘余應力分布優(yōu)于小變形矯直方案和傾斜2矯直方案。大變形矯直方案的殘余應力分布最好,除板材頭部和尾部由于咬入和拋出時的沖擊應力比較大外,其應力分布均勻,優(yōu)于其他3個矯直方案,因此四種矯直方案各有優(yōu)劣勢。圖11為前面所取的路徑沿板長度方向一列節(jié)點的Y方向的坐標分布。從圖中可以看出,按大變形矯直方案矯直后的板材在長度方向最大撓度值17.76mm;而按小變形矯直方案矯直后的板材有頭部上翹的現(xiàn)象,最大撓度值為10.35mm;由于所建鋼板模型較短,在矯直拋出后,按傾斜1矯直方案和傾斜2矯直方案矯直后的板材出現(xiàn)沿矯直方向的傾斜現(xiàn)象。將不同矯直方案矯直后的矯直效果比較匯總為如表2所示。按照國標GB/T709-1988規(guī)定,當鋼板厚度小于20mm時,平直度要小于10mm,三種矯直方案矯后的板材不平度都符合國標的要求。從表2中可以得出,兩種傾斜矯直方案相比較大變形矯直方案和小變形矯直方案來說得到的板形要好,傾斜2矯直方案矯后板材的不平度是最好的,因此該方案的壓下量可以作為實際生產提供參考。經過多次有限元仿真可知,雖然第六輥的壓彎量很小但是對矯直效果影響很明顯,在第二輥壓彎量不變的情況下,矯直機第六輥的壓彎量直接影響中厚板的翹曲,中厚板向下翹曲,說明最后輥的壓彎量太小,因此需要進一步的增加壓彎量,但如果最后輥的壓彎量太大,那么中厚板會向上翹曲,如圖12所示。4矯直力的應用1)把現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和有限元仿真數(shù)據(jù)進行對比后,該模型被證實是可靠地,誤差較小,能夠較真實地反映出矯直后鋼板的應力應變狀態(tài),能為現(xiàn)場生產提供一定指導。2)矯直后鋼板在縱向上仍存在一定的殘余應力,并且呈現(xiàn)出一定的波浪形,但是其殘余應力最大值為144MPa,達到了目標期望。3)充分對比了大變形矯直,小變形矯直,整體式矯直三種矯直工藝四種矯直方案,各種矯直工藝都有自己的優(yōu)缺點。傾斜2矯直方案較為適合該廠矯直機的矯直工藝,上排三輥子的壓下量分別為2.2mm、1.1mm、0mm