H型钢万能轧制变形分析
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2 有限元模型与边界条件
2.1 孔型、轧机布置与压下规程 万能轧制的孔型由一对上下水平辊和一对左
右立辊构成，成品孔型为 H 形，成品前万能孔 型为 X 形。轧 边 机 仅 对 翼 缘 的 端 部 进 行 加 工。 两架万能轧机与轧边机沿轧制方向构成三机架可 逆连轧机组，其孔型形状如图1。模拟取1／4孔 型与轧件，孔型的尺寸参数均来自生产现场。
轧边机位于两架万能轧机的中间，机架间距
·24·
重型机械
2005No.1
均为6 m。第一架万能轧机称 UR1，轧边机称 E，第二架万能轧机称 UR2。轧件第一道次依次 经过 UR1、E、UR2轧制，往复轧制时轧制顺序 为 UR2、E、UR1。轧机布置见图1。为避免单 元数太大，模拟缩短了机架间距。
为2m 左右；单元数目取5160~8820个。
CAOJie1，XITie2，ZHANGJing1，YANJun1，ZHANGCui2 （1.AnhuiIndustryUniversity，Ma'anshan243002，Chian； 2.TechnicalCenterofMa'anshanIron & SteelCompunyLtd.，Ma'anshan243000，China）
于20Hz为次声波，处于次声波环境中的人极易 疲劳）。
九阶振 型 （f9E161.05 Hz） 为 机 架 的 上 下 横梁前后扭转，同时立柱前后弯曲摆动，该振动
4 结束语
将会增大上下横梁的扭矩和立柱的弯矩，并加剧
研究表明，对快锻液压机的机架进行模态分
机架导向部分的磨损。
析，可以得到机架精确的动态特性参数，这对于
Abstract：Withtheaidoffiniteelementanalysissoftware，MSC.SuperForm2002，rollingofH-beambyuniversalmillissimulated，metaldeformingcharacteristicisanalysizedmainly.Itindicatesthatdeformationof
收稿日期：2004-10-22；修订日期：2004-11-05 基金项目：安徽省教育厅自然科学基金项目（2003KJ060） 作者简介：曹 杰 （1971- ）， 男， 安 徽 工 业 大 学 材 料 工 程 学 院
讲师，硕士。
形和轧制区内应力场进行了分析。作者采用有限 元分析软件 MSC.SuperForm2002对 HW350*350 *12*19柱型 H 型钢的万能轧制过程进行模拟， 主要分析轧件的万能轧制变形特点。分析有助于 加深对 H 型钢万能轧制金属变形的认识，以便合 理地分配压下规程，减少产品轧制缺陷。
图2 开坯轧制得到的轧件断面形状与尺寸
图1 孔型形状与轧机布置
压下规程为实际生产中采用的压下规程。各 道次辊缝的设置与变形参数见表1。
表1 压下规程与变形参数（部分）
腹板辊缝 翼缘辊缝 轧制速度 轧制温度 道次号 机架
／mm ／mm ／m／s ／࠷ 1 UR1 56.2 103.5 2.50
1 E 65.1
2005No.1
重型机械
·23·
H 型钢万能轧制变形分析
曹 杰1，奚 铁2，章 静1，闫 军1，张 翠2
（1.安徽工业大学，安徽 马鞍山 243002； 2.马鞍山钢铁股份有限公司技术中心，安徽 马鞍山 243000）
摘 要：借助有限元分析软件 MSC.SuperForm2002对 H 型钢万能轧制进行了模拟，分析了金属 变形特点。分析表明，由于变形条件不同，H 型钢万能轧制腹板与翼缘变形不太一致。当腹板的延伸 大于翼缘的延伸时，轧件出变形区后出现腹板增厚现象。为使腹板与翼缘延伸一致，避免轧制过程中
3 模拟结果及其分析
3.1 轧件断面应变分析 轧件断面等效塑性应变的云图如图3。可以
看出，万能轧制过程中轧件腹板的变形量较大，
翼缘的变形量较小，而翼缘的两端部的变形量最
小。轧边机对翼缘端部有一定量的压下，使翼缘
端部产生较大的变形，但翼缘高度较大，变形没
有渗透，仅局限在翼缘端部。轧件断面等效应变
的分布说明，由于 H 型钢特殊的形状和变形条 件的不同，轧件断面等效塑性应变的分布还是很
功转换系数取0.9。 2.4 计算简化条件
实际轧制过程 UR1、E、UR2之间的距离均 为6m，按此距离进行模拟则单元数目太大。因 此在模拟计算中缩短了机架之间的距离，UR1、 E、UR2机架之间的距离取1150mm。立辊为从 动辊，在 轧 件 的 带 动 下 转 动， 所 取 摩 擦 系 数 在
0.1以下。
于机架的动力性能；（2）机架的前十阶频率最小 为23.758 Hz，而 机 架 的 冲 击 频 率 为 1.33 Hz （即80次每分钟），机架的固有频率远远大于其 冲击频率，因而该机架不会发生共振；（3）机架 最小的 固 有 频 率 为 23.758 Hz， 大 于 20 Hz， 因 而该机架满足降低噪声污染的设计要求（因为小
形区后，出现金属向高度方向流动，即腹板厚度 的反弹增厚现象。腹板厚度的反弹增厚也印证了 腹板与翼缘延伸的不一致。若两者的延伸变形较 为一致时，相互之间的限制作用较小，反弹增厚 程度就很小；若翼缘的延伸大于腹板的延伸，出 现翼缘拉腹板的现象，这时，不会出现反弹增厚 现象。
图4 UR2-E-UR1轧制过程中腹板厚度变化
2.3 边界条件 轧辊视为恒温刚性体，轧辊温度设为200~
300࠷。初始条件主要是轧件的初始温度。边界 条件有摩擦条件和传热边界条件，边界条件的设
定参照文献［4］。（1）摩擦边界条件：轧辊与轧 件接触 面 为 库 仑 摩 擦，摩 擦 系 数 取 0.3~0.4。 （2）传热边界条件：包括轧件与周围环境的对流 与辐射换热，轧件与轧辊接触时的接触传热，对
［3］ 黄晋英，潘宏侠，李霆.发动机机体结构振动模 态分 析［J］.华 北 工 学 院 测 试 技 术 学 报，2000，
（1）. ［4］ 李德堡.振动模态分析及应用［M］.北京：宇航
出版社.1989.
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
ratioofflangeshouldbelargerthanthatofweb. Keywords：H-beam；pass；deformation；FEM
1 前言
H型钢的热轧变形过程非常复杂。在万能孔 型中，翼缘和腹板的变形相互牵制，再加上温度等 诸多因素的影响，给 H 型钢轧制变形的解析分析 造成极大困难。有文献采用热力耦合大变形有限 元法及相应的计算程序模拟了 H 型钢的热轧变形 过程，获得 H 型钢热轧过程中轧制力的大小及其 分布方式，H 型钢热轧变形过程中金属的流动状况 以及轧后尺寸精度［1，2］。文献［3］采用 ANSYS／LS -DYNA软件，对 H 型钢矩形坯开坯轧制4道次进 行了显式动力学弹塑性有限元模拟，并对轧件的变
webandflangeisnotharmoniousinrollingduetothedifferentdeformingconditions.Whiletheelongationcoefficientofwebislargerthanthatofflange，webthicknessisincreasedasitcomesoutoftherollgap.So，in ordertoharmonizetheelongationcoefficientofwebandflangeandtoavoidtherollingdefects，Thereduction
（a）水平辊轧制力 （b）立辊轧制压力
（下转第36页）
来自百度文库36·
重型机械
2005No.1
处的扭矩，从而增加其应力，同时加剧导套的磨 损。
七阶振 型 （f7E89.643 Hz） 为 机 架 的 两 根 立柱左右弯曲摆动，该振动将会增大四个拐角处 的弯矩，同时，加剧机架导向部分的磨损。
八阶振 型 （f8E128.69 Hz） 为 机 架 的 左 右 及上下部分前后交叉弯曲摆动，该振动将会增大 上下横梁的扭矩，影响模具及液压缸的寿命。
2.50 1050
2 UR2 50.1 92.1 2.61
3 UR2 43.9 80.4 4.50
3 E 52.8
4.50 1030
4 UR1 38.4 69.7 5.25
5 UR1 33.4 60.3 5.00
5 E 41.8
5.02 1010
6 UR2 29.1 52 5.90
7 UR2 25.4 44.8 5.50
对机架的前十阶固有频率及对应的固有振型 分析还发现：（1）机架整体的刚度和质量分布较 为均衡，无明显的薄弱部位和过剩部位，这有利
［1］ 朱西产，张金换，李一兵等.客车车身试验模态 分析 及 其 在 车 身 定 型 中 的 应 用 ［J］. 汽 车 技 术， 1996，（6）.
［2］ 季忠，高训涛，孙胜等.闭式数控回转头压力机 机身模态分析［J］.锻压机械，2000，（4）.
流换热系数取0.02kW／（m2·࠷）；辐射换热系 数可根 据 辐 射 定 律 进 行 转 换， 热 辐 射 率 取 0.8； 轧件与轧辊之间的接触热传导用接触热传导系数 来简化处理，热传导系数取 15kW／（m2·࠷）； 轧件对称面 采 用 绝 热 边 界 处 理， 即 qE0； 由 于 金属变形和接触面的摩擦使轧件产生温升，其热
十阶振型（f10E163.77Hz）为机架的上下 部分同时向内或向外交错弯曲摆动，该振动将会
了解现结构的动力学性能以及避免结构的共振、 减少噪声污染将具有重要的意义。
增大上下横梁的弯矩和四个拐角的应力。
参考文献：
从以上的振型分析可以看到，机架不仅有前 后，上下及左右方向的弯曲振动，而且有扭转振 动，这些振动将影响机架的强度和刚度，加重机 架导向部分的磨损，影响锻件的精度及模具和液 压缸的使用寿命。因此，在设计过程中务必采取 增加局部刚度等适当措施避免这些振动的发生。
7 E 34.3
5.61 990
8 UR1 22.3 38.7 6.47
9 UR1 19.6 33.5 6.00
9 E 27.5
6.18 970
10 UR2 17.3 29.2 7.01
2.2 坯料、材质与单元划分 根据实际生产情况，坯料采用由开坯机轧制
的坯 料， 其 轧 件 形 状 和 尺 寸 如 图 2， 材 质 为 Q235。取1／4轧件模拟计算。材料的热物理性能 参数 和 变 形 抗 力 模 型 取 自 MSC.SuperForm2002 材料库。轧件长度应保证构成连轧关系，长度取
3.3 轧制压力分析 以3-3-4道次轧制过程中轧制压力的变化
为例。图5中数据为实际轧制压力的一半。由图
5可 知，轧 边 机 轧 制 压 力 较 小，为1000kN左 右。UR1水平辊轧制压力为7000kN 左右，峰值 轧制压力接近10000kN，UR2水平辊轧制压力为
图5 UR2-E-UR1水平辊立辊轧制压力变化
出现缺陷，翼缘的压下率应大于腹板的压下率。
关键词：H 型钢；孔型；变形；有限元法 中图分类号：TG335.4 文献标识码：A
文章编号：1001-196X（2005）01-0023-03
AnalysisofLetaldeforLingduringrollingofH-beaLbyuniversalLill
图3 轧件断面等效塑性应变的大小及分布
3.2 轧件腹板变形分析 从3-3-4道次轧制过程中轧件的腹板厚度
变化特点如图4，沿节点方向腹板厚度相差并不 大，但腹板出轧制变形区后，厚度出现反弹增厚
现象。腹板的反弹增厚可以解释为腹板的横向变
形受到立辊的限制，纵向的延伸变形又受到轧件
翼缘的限制，轧件的变形很困难，因此轧件出变
不均匀的。不均匀变形发生的部位主要集中在腹
2005No.1
重型机械
·25·
板与翼缘的交界处，等效塑性应变大处的金属受 到等效应变小处金属的限制作用，两处的金属存 在一定的拉扯作用。从应变的分布情况看，翼缘 很大程度上限制了腹板的延伸，而腹板对翼缘的
拉动作用是很小的。因此腹板基本上处于平面应 变状态，变形较难，而翼缘具有自由边，变形较 容易。万能轧制的孔型形状和变形条件的不同决 定了轧件断面必然产生一定的不均匀变形。
2.1 孔型、轧机布置与压下规程 万能轧制的孔型由一对上下水平辊和一对左
右立辊构成，成品孔型为 H 形，成品前万能孔 型为 X 形。轧 边 机 仅 对 翼 缘 的 端 部 进 行 加 工。 两架万能轧机与轧边机沿轧制方向构成三机架可 逆连轧机组，其孔型形状如图1。模拟取1／4孔 型与轧件，孔型的尺寸参数均来自生产现场。
轧边机位于两架万能轧机的中间，机架间距
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2005No.1
均为6 m。第一架万能轧机称 UR1，轧边机称 E，第二架万能轧机称 UR2。轧件第一道次依次 经过 UR1、E、UR2轧制，往复轧制时轧制顺序 为 UR2、E、UR1。轧机布置见图1。为避免单 元数太大，模拟缩短了机架间距。
为2m 左右；单元数目取5160~8820个。
CAOJie1，XITie2，ZHANGJing1，YANJun1，ZHANGCui2 （1.AnhuiIndustryUniversity，Ma'anshan243002，Chian； 2.TechnicalCenterofMa'anshanIron & SteelCompunyLtd.，Ma'anshan243000，China）
于20Hz为次声波，处于次声波环境中的人极易 疲劳）。
九阶振 型 （f9E161.05 Hz） 为 机 架 的 上 下 横梁前后扭转，同时立柱前后弯曲摆动，该振动
4 结束语
将会增大上下横梁的扭矩和立柱的弯矩，并加剧
研究表明，对快锻液压机的机架进行模态分
机架导向部分的磨损。
析，可以得到机架精确的动态特性参数，这对于
Abstract：Withtheaidoffiniteelementanalysissoftware，MSC.SuperForm2002，rollingofH-beambyuniversalmillissimulated，metaldeformingcharacteristicisanalysizedmainly.Itindicatesthatdeformationof
收稿日期：2004-10-22；修订日期：2004-11-05 基金项目：安徽省教育厅自然科学基金项目（2003KJ060） 作者简介：曹 杰 （1971- ）， 男， 安 徽 工 业 大 学 材 料 工 程 学 院
讲师，硕士。
形和轧制区内应力场进行了分析。作者采用有限 元分析软件 MSC.SuperForm2002对 HW350*350 *12*19柱型 H 型钢的万能轧制过程进行模拟， 主要分析轧件的万能轧制变形特点。分析有助于 加深对 H 型钢万能轧制金属变形的认识，以便合 理地分配压下规程，减少产品轧制缺陷。
图2 开坯轧制得到的轧件断面形状与尺寸
图1 孔型形状与轧机布置
压下规程为实际生产中采用的压下规程。各 道次辊缝的设置与变形参数见表1。
表1 压下规程与变形参数（部分）
腹板辊缝 翼缘辊缝 轧制速度 轧制温度 道次号 机架
／mm ／mm ／m／s ／࠷ 1 UR1 56.2 103.5 2.50
1 E 65.1
2005No.1
重型机械
·23·
H 型钢万能轧制变形分析
曹 杰1，奚 铁2，章 静1，闫 军1，张 翠2
（1.安徽工业大学，安徽 马鞍山 243002； 2.马鞍山钢铁股份有限公司技术中心，安徽 马鞍山 243000）
摘 要：借助有限元分析软件 MSC.SuperForm2002对 H 型钢万能轧制进行了模拟，分析了金属 变形特点。分析表明，由于变形条件不同，H 型钢万能轧制腹板与翼缘变形不太一致。当腹板的延伸 大于翼缘的延伸时，轧件出变形区后出现腹板增厚现象。为使腹板与翼缘延伸一致，避免轧制过程中
3 模拟结果及其分析
3.1 轧件断面应变分析 轧件断面等效塑性应变的云图如图3。可以
看出，万能轧制过程中轧件腹板的变形量较大，
翼缘的变形量较小，而翼缘的两端部的变形量最
小。轧边机对翼缘端部有一定量的压下，使翼缘
端部产生较大的变形，但翼缘高度较大，变形没
有渗透，仅局限在翼缘端部。轧件断面等效应变
的分布说明，由于 H 型钢特殊的形状和变形条 件的不同，轧件断面等效塑性应变的分布还是很
功转换系数取0.9。 2.4 计算简化条件
实际轧制过程 UR1、E、UR2之间的距离均 为6m，按此距离进行模拟则单元数目太大。因 此在模拟计算中缩短了机架之间的距离，UR1、 E、UR2机架之间的距离取1150mm。立辊为从 动辊，在 轧 件 的 带 动 下 转 动， 所 取 摩 擦 系 数 在
0.1以下。
于机架的动力性能；（2）机架的前十阶频率最小 为23.758 Hz，而 机 架 的 冲 击 频 率 为 1.33 Hz （即80次每分钟），机架的固有频率远远大于其 冲击频率，因而该机架不会发生共振；（3）机架 最小的 固 有 频 率 为 23.758 Hz， 大 于 20 Hz， 因 而该机架满足降低噪声污染的设计要求（因为小
形区后，出现金属向高度方向流动，即腹板厚度 的反弹增厚现象。腹板厚度的反弹增厚也印证了 腹板与翼缘延伸的不一致。若两者的延伸变形较 为一致时，相互之间的限制作用较小，反弹增厚 程度就很小；若翼缘的延伸大于腹板的延伸，出 现翼缘拉腹板的现象，这时，不会出现反弹增厚 现象。
图4 UR2-E-UR1轧制过程中腹板厚度变化
2.3 边界条件 轧辊视为恒温刚性体，轧辊温度设为200~
300࠷。初始条件主要是轧件的初始温度。边界 条件有摩擦条件和传热边界条件，边界条件的设
定参照文献［4］。（1）摩擦边界条件：轧辊与轧 件接触 面 为 库 仑 摩 擦，摩 擦 系 数 取 0.3~0.4。 （2）传热边界条件：包括轧件与周围环境的对流 与辐射换热，轧件与轧辊接触时的接触传热，对
［3］ 黄晋英，潘宏侠，李霆.发动机机体结构振动模 态分 析［J］.华 北 工 学 院 测 试 技 术 学 报，2000，
（1）. ［4］ 李德堡.振动模态分析及应用［M］.北京：宇航
出版社.1989.
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
ratioofflangeshouldbelargerthanthatofweb. Keywords：H-beam；pass；deformation；FEM
1 前言
H型钢的热轧变形过程非常复杂。在万能孔 型中，翼缘和腹板的变形相互牵制，再加上温度等 诸多因素的影响，给 H 型钢轧制变形的解析分析 造成极大困难。有文献采用热力耦合大变形有限 元法及相应的计算程序模拟了 H 型钢的热轧变形 过程，获得 H 型钢热轧过程中轧制力的大小及其 分布方式，H 型钢热轧变形过程中金属的流动状况 以及轧后尺寸精度［1，2］。文献［3］采用 ANSYS／LS -DYNA软件，对 H 型钢矩形坯开坯轧制4道次进 行了显式动力学弹塑性有限元模拟，并对轧件的变
webandflangeisnotharmoniousinrollingduetothedifferentdeformingconditions.Whiletheelongationcoefficientofwebislargerthanthatofflange，webthicknessisincreasedasitcomesoutoftherollgap.So，in ordertoharmonizetheelongationcoefficientofwebandflangeandtoavoidtherollingdefects，Thereduction
（a）水平辊轧制力 （b）立辊轧制压力
（下转第36页）
来自百度文库36·
重型机械
2005No.1
处的扭矩，从而增加其应力，同时加剧导套的磨 损。
七阶振 型 （f7E89.643 Hz） 为 机 架 的 两 根 立柱左右弯曲摆动，该振动将会增大四个拐角处 的弯矩，同时，加剧机架导向部分的磨损。
八阶振 型 （f8E128.69 Hz） 为 机 架 的 左 右 及上下部分前后交叉弯曲摆动，该振动将会增大 上下横梁的扭矩，影响模具及液压缸的寿命。
2.50 1050
2 UR2 50.1 92.1 2.61
3 UR2 43.9 80.4 4.50
3 E 52.8
4.50 1030
4 UR1 38.4 69.7 5.25
5 UR1 33.4 60.3 5.00
5 E 41.8
5.02 1010
6 UR2 29.1 52 5.90
7 UR2 25.4 44.8 5.50
对机架的前十阶固有频率及对应的固有振型 分析还发现：（1）机架整体的刚度和质量分布较 为均衡，无明显的薄弱部位和过剩部位，这有利
［1］ 朱西产，张金换，李一兵等.客车车身试验模态 分析 及 其 在 车 身 定 型 中 的 应 用 ［J］. 汽 车 技 术， 1996，（6）.
［2］ 季忠，高训涛，孙胜等.闭式数控回转头压力机 机身模态分析［J］.锻压机械，2000，（4）.
流换热系数取0.02kW／（m2·࠷）；辐射换热系 数可根 据 辐 射 定 律 进 行 转 换， 热 辐 射 率 取 0.8； 轧件与轧辊之间的接触热传导用接触热传导系数 来简化处理，热传导系数取 15kW／（m2·࠷）； 轧件对称面 采 用 绝 热 边 界 处 理， 即 qE0； 由 于 金属变形和接触面的摩擦使轧件产生温升，其热
十阶振型（f10E163.77Hz）为机架的上下 部分同时向内或向外交错弯曲摆动，该振动将会
了解现结构的动力学性能以及避免结构的共振、 减少噪声污染将具有重要的意义。
增大上下横梁的弯矩和四个拐角的应力。
参考文献：
从以上的振型分析可以看到，机架不仅有前 后，上下及左右方向的弯曲振动，而且有扭转振 动，这些振动将影响机架的强度和刚度，加重机 架导向部分的磨损，影响锻件的精度及模具和液 压缸的使用寿命。因此，在设计过程中务必采取 增加局部刚度等适当措施避免这些振动的发生。
7 E 34.3
5.61 990
8 UR1 22.3 38.7 6.47
9 UR1 19.6 33.5 6.00
9 E 27.5
6.18 970
10 UR2 17.3 29.2 7.01
2.2 坯料、材质与单元划分 根据实际生产情况，坯料采用由开坯机轧制
的坯 料， 其 轧 件 形 状 和 尺 寸 如 图 2， 材 质 为 Q235。取1／4轧件模拟计算。材料的热物理性能 参数 和 变 形 抗 力 模 型 取 自 MSC.SuperForm2002 材料库。轧件长度应保证构成连轧关系，长度取
3.3 轧制压力分析 以3-3-4道次轧制过程中轧制压力的变化
为例。图5中数据为实际轧制压力的一半。由图
5可 知，轧 边 机 轧 制 压 力 较 小，为1000kN左 右。UR1水平辊轧制压力为7000kN 左右，峰值 轧制压力接近10000kN，UR2水平辊轧制压力为
图5 UR2-E-UR1水平辊立辊轧制压力变化
出现缺陷，翼缘的压下率应大于腹板的压下率。
关键词：H 型钢；孔型；变形；有限元法 中图分类号：TG335.4 文献标识码：A
文章编号：1001-196X（2005）01-0023-03
AnalysisofLetaldeforLingduringrollingofH-beaLbyuniversalLill
图3 轧件断面等效塑性应变的大小及分布
3.2 轧件腹板变形分析 从3-3-4道次轧制过程中轧件的腹板厚度
变化特点如图4，沿节点方向腹板厚度相差并不 大，但腹板出轧制变形区后，厚度出现反弹增厚
现象。腹板的反弹增厚可以解释为腹板的横向变
形受到立辊的限制，纵向的延伸变形又受到轧件
翼缘的限制，轧件的变形很困难，因此轧件出变
不均匀的。不均匀变形发生的部位主要集中在腹
2005No.1
重型机械
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板与翼缘的交界处，等效塑性应变大处的金属受 到等效应变小处金属的限制作用，两处的金属存 在一定的拉扯作用。从应变的分布情况看，翼缘 很大程度上限制了腹板的延伸，而腹板对翼缘的
拉动作用是很小的。因此腹板基本上处于平面应 变状态，变形较难，而翼缘具有自由边，变形较 容易。万能轧制的孔型形状和变形条件的不同决 定了轧件断面必然产生一定的不均匀变形。