中厚板轧制过程的数值模拟分析

延长轧机的寿命， 提高产品质量和减少试错过程的消耗等。文中阐述了利用有限元软件对中厚板轧制成形过程的 非线性数值模拟分析中的一些广为关心的问题， 包括： 摩擦力在轧件表面的分布情况以及摩擦力大小对轧制过程 的影响； 材料的等向强化模型、 运动强化模型和混合强化模型对中厚板轧制过程的影响； 热 . 力耦合对厚板轧制成 形过程的影响及其数值模拟分析方法。 关键词： 有限元； 摩擦力； 轧制成形； 强化模型； 数值模拟 中图分类号： /,##-0-， /1#2!02 文献标识码： + 文章编号： （"))3） !))3 . 4(#5 )# . ))!) . )4
(0123452： UQ% ;>DHN:K?P S:D>P?L:C; :S ? >SHJ>P LCCP LC S:D>P?LH LGH OP?LH NCPP:;< ONCKHSS，:L KC>PI GHPO LC HVW LH;I LGH D:PP P:JH，:DONCRH LGH =>?P:LT CJ LGH OP?LH ?;I NHI>KH LGH KCSL CJ LN:?P . ?;I . HNNCN ONCKHSSHS $ *; LG:S O?OHN，SCDH CJ LGH DCSL KC;KHN;HI ONCXPHDS :; ;>DHN:K?P S:D>P?L:C; CJ OP?LH NCPP:;< ONCKHSS ?NH ?;?PTYHI ?;I I:SK>SSHI >S:;< %&’ D?NK SCJLM?NH $ /GH I:SLN:X>L:C; CJ JN:KL:C;?P JCNKH C; LGH NCPP:;< OP?LH S>NJ?KH ?;I LGH HJW JHKLS CJ JN:KL:C; C; NCPP:;< ONCKHSS ?NH I:SK>SSHI $ Z:JJHNH;L D?LHN:?P G?NIH;:;< DCIHPS S>KG ?S :SCLNCO:K G?NIH;W :;<，[:;HD?L:K G?NIH;:;< ?;I KCDX:;HI G?NIH;:;< ?NH :;RHSL:<?LHI $ /GH HJJHKLS CJ LGHND?P . DHKG?;:K?P KC>OPH C; LGH OP?LH NCPP:;< ONCKHSS ?;I LGH ;>DHN:K?P S:D>P?L:C; DHLGCI ?NH ONHSH;LHI $ 678 9:3;1： UQ%；JN:KL:C; JCNKH；NCPP:;< ONCKHSS；G?NIH;:;< DCIHP；;>DHN:K?P S:D>P?L:C; 理想的产品。这样会延长产品的研制周期， 增加产 品成本， 并造成设备的提前报废， 浪费大量的人力和 物力。 随着计算机应用技术的普及， 用有限元方法进 行塑性成形过程的数值模拟成为一项有效解决该问 题的高新技术。塑性成形的有限元数值模拟不仅能 直观描述板料在轧制过程中材料的变形流动状态， 还能定量地计算出塑性变形区的应力、 应变、 摩擦力
作者简介： 张清泉 （!2(4—） ， 男， 四川达川人， 美国 %&’ 公司成都代表处技术部经理， 主要从事计算机辅助工程仿真 （’+Q） 研究。 万方数据
第F期 张清泉等： 中厚板轧制过程的数值模拟分析 ・ !! ・ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ 和温度分布状态以及回弹等， 同时还能得到轧件在 轧制过程中的组织演变。由此可见： 在中厚板轧制 成形过程中采用有限元方法进行数值模拟分析可以 为实际生产提供合理的工艺参数， 便于延长轧机的 寿命， 提高产品质量和减少试错过程的消耗等。 下面就利用数值模拟分析方法在仿真板料的轧 制过程所关心的一些问题进行讨论。 在这种高温下金属的组织和性能发生变化， ’ 左右， 表面产生强烈的氧化、 粘着等， 这些会改变摩擦条件 影响润滑。其次， 轧制过程中轧辊与板料之间存在 很大的压力， 此时的摩擦力是在高压下产生的， 两者 之间的单位压力越大， 润滑也就越困难， 而在数值分 析中往往存在如果使用库仑摩擦模型， 计算结果与 实验测试结果会不一致的情况。第三， 轧制过程是 一个动态过程， 不断会有新的接触表面产生， 轧辊与 板料间的接触条件在动态地不断改变： 同一时刻各 点接触状态也不同， 有的滑动、 有的粘着。如图 ! 所 示为平辊轧制时的情况， ()*+ 为金属质点对轧辊 没有横向滑动的区域； ,-./ 为金属质点对轧辊没 有纵向及横向滑动的区域， 即粘着区； 012 是板料 宽度中间难变形区的垂直断面。
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钢铁钒钛 !AA: 年第 !B 卷 ・ 9! ・ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $
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中厚板轧制过程的数值模拟分析
张清泉!， 刘勇谋"， 姚
学机械工程学院， 四川 成都 (!))(-） 摘 要： 在中厚板轧制成形过程中采用有限元方法进行数值模拟分析可以为实际生产提供合理的工艺参数， 便于
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引言
厚板轧制成形过程是一个同时包括几何非线
性、 材料非线性、 边界非线性和热 . 力耦合等因素在 内的复杂的变形过程， 轧件的成形质量受到多种因 素的影响， 这就对成形控制带来很大困难。传统的 轧制过程中， 只能在提出初步设计方案的基础上， 采 用 “试错法” 经过大量的实验反复调试才能得到较为
收稿日期： "))3 . )( . !4
பைடு நூலகம்
图!
非线性的剪切摩擦行为
"#$ % ! &#’()* +,-.,/0 /,1(. 2(*3-3 ,03(*2(1 （ ’,’.#’()* 36()* 0)3(1 4*#+5#,’ /,1(.） 4*#+5#,’ 0(6)2#,* 式中 !!" —接触面上的切向应力， 即摩擦应力； ! !—等效应力； 即 !值； # —摩擦系数， $ —为轧辊与板料之间相对滑动速度方向上 的切向单位向量。 为了避免数值计算上的不连续性， 一般引入反 正切函数来平滑处理粘—滑摩擦之间的突变： %" ! ! ! ・$ （!） !!" " 7 # ・ )*+5)’ " 2 +’35 8 " # 式中 %" — 轧辊与板料之间相对滑动速度向量； 轧辊与板料之间的临界 " 2 +’35—发生滑动时， 相对滑动速度。 在轧制过程中， 轧辊与板料的摩擦力成为轧件 运动的主动力， 即轧制过程是以摩擦力作为驱动力， 因此在模拟过程中需给出一个相对滑动速度。数值 模拟分析中， 做如下假设： 仅考虑接触表面的相互作 用， 而不考虑其它因素的影响， 且在轧制过程中摩擦 系数不变。 图 8 所示为板料所受轧制方向上的摩擦力分布 在后滑移区轧件受到沿轧 云图。从图 8 可以看出， 制方向正向的摩擦力， 在前滑移区轧件受到沿轧制 方向反向的摩擦力， 且前者大于后者， 使得板料能够 通过与轧辊之间的摩擦力的作用完成轧制过程。 与图 9 的比较可以看出， 在两种方向相反的摩 擦力之间出现一定宽度的摩擦力几乎为零的区域即 轧制的粘着区域。在粘着区轧件与轧辊相对滑动速 度为零且不存在摩擦力。摩擦力经由作为轧制过程 驱动力的正向力区域、 零摩擦区域的粘着区到沿轧 制负方向的负向力区域。 图 : 是厚板在轧制过程中宽度的展开和厚度的
图!
轧制时粘着区及难变形区示意图
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某厚板轧制过程的摩擦力分析
滑动 0G*" 0<=: 软件主要提供的摩擦模型包括： 库仑摩擦模型， 剪切摩擦以及粘 @ 滑摩擦模型。试 验表明， 当法向力或法向应力太大时， 库仑摩擦模型 常常与实验观察结果不一致， 如图 # 所示。 轧制过程当压下量较大时， 特别是初轧过程压 下量较大， 板料与轧辊间的摩擦则不满足库仑摩擦 模型， 因此考虑采用基于切应力的摩擦模型—剪切 摩擦模型。剪切摩擦模型认为摩擦应力是材料等效 切应力的一部分， 为： " ! !!" ! @ # $ F #