薄板带张力轧制时金属流动的计算机模拟

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第卷第期 年月 钢铁 物 , 薄板带张力轧制时金属流动的计算机模拟 刘才杜凤山连家创 燕山大学 应用三维弹塑性有限元法 , 同时考虑材料 、 几何双重非线性 , 对板带轧制过程 的金属流动规 律进行了模拟研究 。 文中建立了张力动态位移加载模型 , 并在大型程序中得以实现 。 模拟结果表明 , 前后张力不仅具有矫正板形功能 , 还具有微调板厚作用 。 丫】 , 决 钾 犷 , , 妇 七 的 卜 在冷轧薄带材时 , 控制板形是提高产品 质量的重要途径 。 所谓板形 , 是指轧后带材 产生 的翘曲 、 浪形等 、 它与金属流动方式有 关 。 均质带材经过塑性变形后其纵向纤维延 伸不均 、 导致带材弹复后仍积 有较大 的内 能 , 内能释放的结果引起轧后带材产生形状 缺陷 。 因此 , 改善金属流动方式 , 减小残余 应力 , 是改善板形的关键环节 。 张力及其控 制是板形控制 系统的核心 。 而如何确定张 力 加载问题在 各种 解析 研究一 和 数值分 析 中都没有得 到较好地解决 。 将 未知张 力当作已知量处理 , 同实际轧制过程相比相 差 甚远 。 本文针对这些问题进行了深入研 究 , 建立了新的张力模型 , 分析张力作用下 的金属流动现象 , 获得了许多有价值的结 果 。 , 有限元法的墓本公式 压力加工中的金属变形属大变形过程 , 精确研究金属内部质点的运动和平衡 , 必须 考虑材料 与几何的双重非线性 。 本文采用 法的三维弹塑性有限元对薄带轧制过程 中的金属三维变形进行了分析 。 本构方程基于 一 增 量理 论 , 结合屈服准则 , 可得 司、 眼办叶 , 其 中 , 很 ,为弹塑性本构 矩阵 , 与 小变形 的情形相同 。 二了 是欧拉应 力的 应 力增量 。七,是线性化的与转动无 关的应 变增量 。 七 , 。 二。 其 中 , , 的表达式不 同于一般几何矩阵 中的表达式 , 它反映了应变增量与转动无关 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 年第 期 的性质比 是应 变和 相应的位移 增 量 。 根据上述公式得到的冈度矩阵包括变形 矩阵 、 应力校正矩阵和等体积变形矩阵 , 即 、 。一 二头黔 。 导默 , 其 中 , 忿乳 是变形矩阵 , 与般小变形弹 塑性 有限元法的刚 度矩阵相同 , 反映了由纯 变 形 引起的刚 度 。 尺豁 是应力校王矩阵 , 对 物体在大变形时刚性转动所引起的应力变化 部分进行 校正 , 其具 体形式可参 阅 文 献 。 君几是等体积变形校正矩阵 , 对体 积不变约束 引起的 单元刚 度过 大进行了校 正 在计算静水压力时 , 采用文献 的间 接 计算法 , 从而提高了静水 压力计算精度 。 关于接触康擦的处 理 在压力加工过程 中 , 工具与工件表 面的 接 触摩擦直接影响金属的流动方式 。 由于摩 擦问题的复杂性以及实测上的困难 , 在一般 理论分析中都按库仑摩擦理论计算金属与工 具间的摩擦力 。 在有限 元法 中 , 采用附加摩擦层单元模 拟 摩擦 作用是一种新颖 而又可靠的方法 。 文 献 、 对 厚板的 分析取 得了重要进 展 , 但对薄带模拟轧制反应异常 。 为此 , 作 者改进了此方法 , 采用摩擦元刚度二元修正 法 , 对薄板 轧制过程 进行了计算机模拟幻 。 张力摸型的建立 为了实现对带张力轧制的计算机模拟 , 本文建立了前后张力动态位移加载模型图 。 该模型具有 单独施加前张力单 独施加后张力同步施加前 、 后张 力 不同步施加前 、 后张力等功能 弹塑性有限元法模拟板带轧制过程是渐 近加载过程 , 从非稳态咬入到稳态轧制 、 单 元受力及变形均与加载历史相关 。 因此 , 在 进行张力加载时 , 应在轧制处于稳定状态之 后施加 , 同时应考虑位移幅的确定 。 由于实 际轧制过程 中的张力控制是通过调节卷取 机 卷取速度与轧制速度不 同步产生的 , 因此 , 作者在建立该模型时 , 要求带材前端出口速 度高于最低点速度以形成前张力加后张 力 时 , 要求人口带材低于咬人点轧辊速度水平 分量 。 这样 , 继续加载 , 当前后端等效应 力 达到某一设定值时 , 停止加载 。 结果分析 计算条件一 辊径 二 ,飞 摩擦系数 ” 二 试样宽厚 刀, 压下量 屈服 函数 。 、 图加载过程中的网格变形 图张力动态位移加载模型 , 一非稳态轧制 , 一稳态轧制 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 铜铁 字 , 考虑对称性 , 只取轧件的四分之一 进行 研究 。 所划分 的单元总数 , 节点总 数 二 。 张 力对宽展变形的影响轧制载荷是逐 次被施加的 , 每次加载都要进行网格修正 。 通过逐次加载 , 网格的渐变过程在处理 图形 时给出 。 如 图所示 , 经过次加载 , 轧件 到达变形区中部图 , 经过次加载 , 轧件前端已脱离出口 , 此时 , 同步施加前后 张力 , 张 力加载随轧制载荷次数增加而完 成 , 在张力幅较小的情况下 , 宏观网格变形 并不显著 , 尽管如此 , 张力对宽展变形的影 响依然存在 。 如 图所示 , 在未加张力时 , 轧件表面宽展变形边缘从入口到出口逐 渐增大 , 并在变形 区之外入口侧边缘存 在预变形图 , 施加前后张力后 , 在入 口 、 出口侧边缘处宽展减小并在靠近侧边缘 处 出现内流动现象 。 内流动产生 的地方多为 纵 向延伸突然增大之部位图 , 在 变形 区域 中部轧件 , 带材宽展量几乎不存在 。 因此 , 轧件宽展量是轧件受压和纵向延伸合 成的结果 , 外加张 力可以使宽展值减小到零 或负值 , 但不能消除两侧边缘的金属横向流 动 , 这种横向流动影响带材的纵向延伸 , 继 而影响板形 。 计算条件一 减小带材宽度 、 降低压下量 。义。 , 余同条件一 , 金属流动情况如 图所示 。 经过次施加张 力 , 表面金属的内流动现象十分激烈 , 原有 的宽展值未加张力被大大减小 , 内流动 现象在侧边缘也十分显著图 , 其 宽展 变形与纵向延伸合成的结果说 明 , 张力引起 缩宽 、 张力能促进金属变形 , 同时张力还是 引起断带事故的关键因素 , 断 带始 点即为 入 、 出口处两侧边缘 。 张 力的另一 作用是微调板厚功能 。 在未 加张力时 , 带材人口前厚度不变图 , 施 加张力后 , 在带材入 、 出口附近引起厚度减 薄图 , 因此 , 在实际轧制过 程中 , 常 常采用增大张力来调整纵向厚差 。 侧边缘入 己 表 。 口侧边缘 入口 山弓 几工工土 一 轧制方向 一 对称轴 轧制方向 心 对称轴 图轧件表面节点沿宽向相对变形 一未加张力 的, 一旦加张力口心咨 句 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 年第 期 侧边缘 入口 嗽吕 侧边缘 入口 出口 一一 一 一一一一 一 一 一 三 护 、冲 ,内 。 , , 咨甘通,吞,下卜,补,牙寸 卜 卜卜 , 叫护 二土 轧制方向 。一。中心线 轧制方向 一 中心线 轧制方向 纵断面号 入口 。 出口 戈 轧制方向 纵断面 号 入口出口 。冈 广卫卜 卜 卜卜卜 图水平断面 、 纵断面的金属流动与网格变形 一横向流动 , 一合成流动 一纵断面二 幻 , 一带张力纵断面二 结论 采用有限 元法对金属变形过程的计算机 模拟是 国内外都在研究的重要课题 , 是优化 工艺规程 、 节省能源 的重要途径 。 通过 本文 的算例分析 , 表明采用这一技 术对解决一 些 解析研究无法解决的问题是十分 有效的 。 文中所建立的张 力模型完 全描 述了实际 冷轧过程的工艺特点 , 为现代板带轧制理论 研究创出了一条新路 。 计算结果表 明 , 张少 , 对金属流动影响显 著 , 张 力不仅能 引起带材缩宽 , 还具有微调 板厚的功能 。 文中指出 , 张力作用引起的断 带位置多在入 、 出口处 带材的两侧 边缘附 近 。 本课题为国家教委优秀年轻教师墓金资 助项目 。 下转第页 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 铂有利 于的形成 , 因 此钢中相含 量升高时 , 形成的趋势增加 , 因而使 骨骼状向层片状转化的临界钒含 量降低 , 这点在前面的结果 中已得到充分的 体现 。 钒不利于的形成 , 因 此钨系高速 钢中增加钒时 , 的 数 量 降低 , 骨骼状 共晶形态逐渐退化 。 钒含量较 低时 , 的 数量增加 不 多 。 因此共晶碳化物仍以骨骼状 为主 , 但共晶碳化物总量呈明显下降的趋势 。 继续增加钒时 , 一方面的数量增加很 多 , 同时由于析出以后液相中钨的富集 增加 , 这有利于 。 的形成 。 因 此高 钒时 共晶碳化物 的总量和 的数量 下降较慢 图 。 钒促使和的 形成从而使 钨铂系和铂系高速钢中共晶碳化物的总量一 直增加 。 俘 结论 钒使钨系高速钢乡 , 。 中共晶碳化物总量降低 , 使钨钥系及 钥系高速钢中的共晶碳化物总量升高 。 钒不仅有利于的 形成 , 而且明 显促使的形成 , 抑制的形成 。 不 同钨铂配比的高速钢 中 , 骨骼状 。 向层片状的转化 有 一 临界钒含 量 。 随着钢中钨含量 的 降 低 , 钥含量的升 高 , 这一临界钒含量降低 。 小不论钨系 、 钨 铂系和铂系高速钢 中 , 钒含量在 , 均可获得良好的铸 态组织 , 钒含量大于时 , 共晶碳化物较 为粗大 。 ,考文做 , 丁培道 , 周守则 , 重庆大学学报 , 抽 , 万石功奇 , 理化检验 , 【】石功奇 , 硕士学位论文 , 重庆大学 , , 一 , ,