平辊轧制工艺轧制力及摩擦应力

图4 !"#$ 4
单位长度的轧制力的历史曲线
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轧制过程模拟有限元分析模型
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力学过程， 因此采用动力学方法进行分析将更符合
(""! $ !( $ "’ ! 收稿日期： 作者简介： 孙 哲 （!%’Y $ ） ， 男， 内蒙古包头人， 包头钢铁 （集团） 公司工程师 +
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包头钢铁学院学报
4,,4 年 ,) 月
第 4" 卷 第 " 期
相对稳定时结束 ! 即： 轧辊匀速转动， 轧件以接近于 轧辊圆周线速度的初始速度向辊缝运动， 进入辊缝 后靠轧辊与轧件的接触摩擦进行轧制， 直至轧制稳 定 ! 本文的计算结果取自稳定轧制阶段 !
孙
哲等： 平辊轧制工艺轧制力及摩擦应力的弹塑性有限分析
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于刚塑性有限元法得出的， 接触区出口正好位于轧 辊中心的下部， 但是由动态有限元法结果却显示经 过轧辊中心后压力值逐渐降低， 实际的接触区出口 点在距轧辊中心 !" ## 处， 而这正是由于带钢的弹 性恢复区的存在造成的 $ 这也是图 % 中轧制力高于 即刚端效应以 &’(#’) 值的原因之一 $ 这两个原因， 及弹性恢复， 是由材料的弹性特性引起的， 也是弹塑 性分析的优越性所在 $ 但是， 与粗略的估计值相比， 可以通过调整 !" ## 的弹性恢复区可能显得较长， 接触区的罚刚度等参数来进一步校正该值 $ 第三个 差别出现在中性点处， 该点动态有限元法的摩擦应 力结果比 &’(#’) 的值低 $ 这是由于中性点处材料 与轧辊的 “粘着” 造成的， 该处材料表面与轧辊表面 的线速度应该是相同的， 所以， 摩擦应力分布也是合 理的 $ 由上面分析可知， 在接触区附近存在一个楔形 的弹性变形区， 并且在轧制区域出口材料存在残余 应力， 这些现象都是值得考虑的 $ 因而， 应用动态有 限元方法求解轧制过程是完全可行的 $
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结论
动态显式有限元方法的模拟计算结果， 即所确
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!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" 信息窗
新型超薄型钢结构涂料
该产品是一种新型换代产品， 属高新技术产品 $ 采用全新生产工艺及配方设计 $ 该防火防 腐涂料首次将微胶囊化的概念及技术引入防火涂料领域， 填补了该项目的空白 $ 从而使得防火 涂料的性能得到全面的提高， 为防止和减缓火患的蔓延提供了可靠的保障 $ 微胶囊化技术是通过包裹材料的包覆作用和对包裹材料的选择， 大大提高了防火涂料的防 腐性能， 为防火涂料施涂于钢结构建筑提供了防腐作用 $ 该防火涂料在受热时发泡膨胀， 形成具有蜂窝状结构的碳化层， 从而达到阻止或延缓热量向 底材的传递， 达到提高钢结构底材耐火极限的目的 $ 摘录自 《中国冶金报》 （3） %22% T 2! T 21
(""( 年 ") 月 第 (! 卷第 "! 期
包头钢铁学院学报 V:C>8B@ :P AB:=:C 087W4>K7=M :P D>:8 B8E /=44@ ,4L38:@:;M
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文章编号： （(""(） !""# $ %&’( "! $ "")* $ ")
轧制过程的模拟对于轧机设计以及多道次轧制 工艺的压下规程制定都具有十分重要的意义 + 应用 有限元方法进行轧制过程的分析已有相当长的时 间， 刚塑性有限元方法采用求解能量泛函极小值的 理论进行计算， 具有计算效率高的特点， 在热轧过程 + 弹塑性有限元全面考虑整个 变形过程， 能更加真实地反应出轧制中的各种状态， 中得到广泛应用
［)］ 可以进行残余应力的计算 + 但隐式算法处理大变 ［!， (］
实际情况 + 本文应用 .1/R/ S G/9TR1. 中的显式动力学弹 塑性有限元方法对带钢冷轧过程进行了二维有限元 分析， 并将其计算结果与传统的 UB>QB8 分析结果进 行了比较 +
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平辊轧制过程二维弹塑性动态有限 元分析
直径 # $$ 线速度（ ・ # $ ’ ）
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材质 厚度 # $$ 密度（ ・ # -. $ ( )） 杨氏横量 # 123 屈服强度 # 523 切线模量 # 523 泊松比
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模拟计算的条件
形接触问题时不易收敛， 计算时需大量的时间 + 而 显式算法具有计算效率高， 不存在收敛问题等特点， 已有研究人员采用显式动力学弹塑性有限元对平板
［#， *］ 轧制过程进行模拟 + 由于轧制过程本身就是动
源自文库
轧制模拟过程中采用的几何模型如图 ! 所示 + 轧制分析的工艺条件如表 ! 所示 + 根据对称性， 二 维分析时采用 ! S ( 轧件建立模型， 在对称面上施加 对称约束 + 整个模拟过程从轧件咬入开始， 至轧制
定的中性点的位置以及接触应力的分布与解析方法 相比更加准确合理， 可以为实际工艺规程的制定提 供较为真实可信的参考数据 $ 动态显式有限元法方 法在对轧制工艺的模拟分析中具有其独特的优势 $ 参考文献：
［!］ 刘相华 $ 刚塑性有限元及其在轧制中的应用 ［ *］ $ 北 京： 冶金工业出版社， !++,$!-.%,$ ［%］ 宋叔尼， 刘相华， 王国栋 $ 刚塑性可压缩材料热轧问题 总能耗泛函极值的存在与唯一性 ［ /］ $ 科学通报， !+++， （!0） ： ,, !+1+.!+2,$ ［3］ 刘 才 $ 弹塑性有限元方法对轧制过程的模拟 ［ /］ $东 北重型机械学院学报， （3） ： !+10， !! --.03 4 ［,］ 5676#6(’ *， 56897’7: *， 5689;’ 5， :; ’<4 =<’>;?.@<’>;9A B9)9;: :<:#:); >9#6<’;9?) ?B ;C: B<’; (?<<9)D @(?A:>> EF GF)’#9A GH. ［I］ @<9A9; #:;C?G $ J(?A ?B ;C: 0;C 9);:()’;9?)’< A?)B:(:)A: ?) ［ K］ >;::< (?<<9)D 4 KC9E’， /’@’)： !++1 4 %-2.%-" 4 ［"］ L<D6AC9，MN:) O P /， Q96 R S4 I)’<F>9> ?B (?<<9)D @(?A:>>:> ［I］ EF GF)’#9A :H@<9A9; :<’>;?.@<’>;9A B9)9;: :<:#:); #:;C?G $ ［ K］ J(?A ?B ;C: 0;C 9);:()’;9?) A?)B:(:)A: ?) >;::< (?<<9)D 4 KC9E’， /’@’)： !++1 4 %--.%0! 4 ［-］ 王廷溥 $ 轧钢工艺学 ［ *］ 冶 金 工 业 出 版 社， $ 北 京： !+1!$
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图;
轧制变形区原点位置示意图
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在图 ) 中， 本分析与 839$3: 的结果在 ) 个方面 有显著的差别 ! 首先， 在紧靠轧制入口之后区域， 由 动态有限元法获得的轧制压力结果比后者上升更 快， 且一定时间内保持该值 ! 这是由于变形区前端 的未变形金属限制了变形区中变形金属的厚度减 薄 ! 该种现象称为刚端效应 ! 第二种差别在于轧制 压力降为零的接触区出口位置 ! 839$3: 的结果是基
力的分布规律， 并与传统方法进行了对比 +
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平辊轧制工艺轧制力及摩擦应力 的 弹 塑 性 有 限 元 分 析
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厂， 江苏 南京 (!"")*）
哲! ， 张旻宏(
"!#"!"； (+ 南京钢铁集团股份有限公司 带钢
（!+ 包头钢铁 （集团） 公司 钢联股份有限公司 带钢厂， 内蒙古 包头
关键词： 有限元法； 弹塑性分析； 轧制 中图分类号： ,-))*+!( 摘 文献标识码： . 要： 应用弹塑性显式有限元方法对平辊轧制工艺进行了分析， 得出了轧制过程中的弹性应力应变以及摩擦应
"!4
结果及讨论
图 4 给出了轧制力的时间历程曲线， 当轧制开
始与轧件端部接触时轧制力开始上升， 轧 & $’ 后， 制力出现了 ")7 的波动， 但是在相对短时间内轧制 力进入到一个准稳态过程 ! 与 839$3: 的切块法结 ［%］ 相 比， 由动态有限元法获得的轧制力结果比 果 839$3: 的值高出 ),7 ! 图 ) 给出了轧制力及摩擦应力的分布规律 ! 横 坐标为沿轧制方向的坐标位置， 原点定在轧辊中部 的下面 （见图 ;） ! 轧制压力和摩擦应力与 839$3: 的 结果符合很好 ! 而轧制压力稍微高出是因为本分析 中的轧制接触区域更长造成的 ! 二者正是图 4 中轧 制力较高的原因 !