（机械设计及理论专业论文）中型热轧h型钢精轧过程的数字化仿真研究.pdf

摘要 摘要 h 型钢是一种截面面积分配更加优化、强重比更加合理的断面型材，因其优 良的力学特性在工、农业生产中有着广泛应用，在国民经济建设中的作用日益增 强。为解决尺寸精度和力学性能的问题，扩大产品的品种规格，迫切需要对轧制 过程的进行计算机仿真模拟，以期达到优化热轧工艺参数、控制产品质量的目的。 本文选择中型热轧h 型钢精轧过程的计算机模拟作为研究课题，利用热力耦 合大变形理论对热轧过程中金属的变形、温度及其影响因素进行分析，同时分析 轧后轧件的温度场变化及残余应力。 为获取高温下材料热物理属性，使用g l e e b l e 1 5 0 0 型热模拟试验机对试件进 行8 0 0 1 0 0 0 。c 之间的热模拟试验，研究某特定变形量条件下变形温度、应变速 率对材料本构曲线的影响，测定在不同应变速率条件下的本构关系曲线，并通过 数据拟合得到实验材料的本构模型，获得本研究中数值模拟所需的基本参数。 建立热轧中型h 型钢精轧过程的三维有限元热力耦合模型，根据实际生产条 件，设定初始条件和边界条件等参数，同时为避免轧制过程中轧件网格变形过大 而影响计算精度，采用网格重构方法对此过程进行数值分析，保证了轧制模拟过 程顺利实现。利用h 型钢精轧三维有限元热力耦合模型分析后可以得到各个机架 间轧件的应力场和温度场分布情况，根据有限元分析结果，研究轧件内部金属质 点的纵向流动，分析轧件在* l n 过程中变形情况与金属流动情况，对轧件进行宽 展分析，为合理制定规程提供了有益参考。 建立轧后轧件散热分析有限元模型，分析h 型钢冷却的温度、残余应力，将 计算得到的轧件温度和* l n 过程中的轧制力与生产现场数据进行对比分析，验证 了有限元模型的准确性。通过实验分析回归出计算轧机负荷、轧件温度等经验公 式，并利用模型对精轧前的冲击进行了分析，研究成果对于建立型钢轧制过程尺 寸精度预报系统、优化热轧轧制工艺参数、开发新规格产品等具有重要的实际意 义和理论价值。 关键词h 型钢；精轧；网格重构；有限元 山东省经委技术创新项目( 编号：2 0 0 3 1 8 2 ) 摘要 a b s t r a c t h b e a mi so n ek i n do fs e c t i o n a ls t e e lw i t ho p t i m i z e da r e a , r e a s o n a b l er a t i oo f w e i g h tt os t r e n g t h ，a n dh a sw i d e s p r e a da p p l i c a t i o ni ni n d u s t r y , a g r i c u l t u r ea sw e l la si n t h ec i v i lp r o d u c tb e c a u s eo fi t s f i n em e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c ，w h i c hh a ss i g n i f i c a n t f u n c t i o ni nt h en a t i o n a le c o n o m yc o n s t r u c t i o nn o w a d a y s i no r d e rt oi m p r o v et h es i z e p r e c i s i o n ，m e c h a n i c sp e r f o r m a n c ea n de x p a n dp r o d u c tv a r i e t ys p e c i f i c a t i o n ，i ti so fh i g h i m p o r t a n c ef o ra d o p t i o no ft h ec o m p u t e r o p t i m i z e dh o tr o l l i n gt e c h n i q u ep a r a m e t e r s i m u l a t i o ni nr o l l i n gp r o c e s st oa c h i e v e st h e t h i sr e s e a r c hc h o o s e st h et o p i co fc o m p u t e rs i m u l a t i o ni nm e d i u mh o th - b e a m f i n i s hr o l l i n gp r o c e s s ，u s i n gt h e r m a l m e c h a n i c a lc o u p l i n ga n a l y s i sa n db i gd i s t o r t i o n t h e o r yt os t u d ym e t a ld i s t o r t i o no ft h eh o tr o l l i n gp r o c e s s i no r d e rt oo b t a i nt h em a t e r i a l p h y s i c a lp r o p e r t yu n d e rh i g ht e m p e r a t u r e ，t h eg l e e b l e - 15 0 0t h e r m a ls i m u l a t i o nt e s t i n g m a c h i n ew a se m p l o y e dt oc a r r yo nt e s ts a m p l eb e t w e e n8 0 0 - 10 0 0 0 c ，f u n c t i o na m o n g d e f o r m i t yc o n d i t i o n ，t h ed i s t o r t i o nt e m p e r a t u r e ，t h es t r a i ns p e e dw a ss p e c i f i e d t h e m a t e r i a lf e a t u r ei se x p r e s s e db yaf e wo ff o r m u l a sa st h ec o n s t i t u t i v em o d e l t h et h r e e d i m e n s i o nm o d e lc o u p l e dt h e r m o - - m e c h a n i c a lo ff e mi sb u i l tt oa n a l y z e t h ef i n i s h r o l l i n go fm i d d l e s i z e dh b e a m t h ei n i t i a lc o n d i t i o na n db o u n d a r yc o n d i t i o n e t ca r es e ta c c o r d i n gt ot h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n f o rt h eo v e r s i z e dd i s t o r t i n g ， r e m e s h i n gt e c h n i q u e w a sc a r r i e do nt o g u a r a n t e et h e c o n t i n u a t i o no fr o l l i n g s i m u l a t i o np r o c e s s t h er o l l e ds t r e s sa n dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fb l a n kw o u l d o b t a i nt h r o u g ht h e r m a l m e c h a n i c a lc o u p l i n ga n a l y s i s ，m e t a lf l o w i n ga n dd e f o r m a t i o ni n r o l l i n gp r o c e s sw a sc a r r i e do n ，t h ea n a l y s i sh a sp r o v i d e dt h eb e n e f i c i a lr e f e r e n c ef o rt h e r e a s o n a b l ef o r m u l a t i o nr e g u l a t i o n s i ti sc o n f o r m e dt ot h er e f l e c t i o no fc o n s e r v a t i o na n d m a k e st h es i m u l a t i o no ff e m c o m p l e t e l ya n de x a c t l y t h et w o d i m e n s i o nf e mm o d e lo fh e a tt r a n s f e ra n dr e s i d u a ls t r e s si sb u i l tt o a n a l y z e st e m p e r a t u r ef i e l da f t e rf i n i s h r o l l i n ga n dr e s i d u a ls t r e s sd u r i n gt h ec o o l i n g p r o c e s so fh b e a m ，t h er e g u l a r i t i e so fd i s t r i b u t i o ni ns t r e s sa n dt e m p o r a r yf i e l do f i i i d i f f e r e n ts t e po fr o l l i n ga r eo b t a i n e d t h er e s u l t so ff e ms i m u l a t i o nw h i c ha r et h e t e m p e r a t u r eo fp i e c ei sc o m p a r e dw i t ht h ef a c tt op r o v et h a tt h em o d e lo ff e ma b o u t r o l l i n gi sa p t t h er o l l i n gf o r c ef o r m u l a sa r eb u i l t 、i m e x p e r i m e n tr e g r e s s i o nb a s e d o n c o m p u t a t i o nd a t a , a n dr o l l i n gi m p a c tb e f o r ef i n i s h i n gr o l l i n gw a ss t u d i e d ，t h er e s e a r c h r e s u l t sg i v ear e f e r e n c e st o t h ee s t a b l i s h m e n ts e c t i o nr o l l i n gp r o c e s ss i z ep r e c i s i o n f o r e c a s ts y s t e m ，a n dm a k eas i g n i f i c a n c et o o p t i m i z er o l l i n gc r a f tp a r a m e t e ra n d d e v e l o pn e ws p e c i f i c a t i o np r o d u c t ，a n dw h i c hh a v et h ev i t a lp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d t h et h e o r yv a l u e k e y w o r d sh b e a m ；f i n i s h - r o l l i n g ；r e m e s h ；f e m i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：互堑垒受一 日 期：力仁 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：乏垃选导师签名： e l 期：堆 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1h 型钢及其生产技术概况 1 。1 。1h 型钢简述 h 型钢是一种截面面积分配更加优化、强重比更【z 圆i 芝鬻暑戮= 聂淼盖翥腹板目。腿， “h 相同而得名。h 型钢断面通常分为腰部和腿部h 翼缘( 腿) 两部分，也称为腹板和翼缘，见图1 1 所示【l j 。h 型日 钢的形状特点决定了它的截面模数、惯性矩及相应的 图1 - 1h 型钢截面示意图 强度优于同样型号的工字钢，同时由于它具有边宽、 腰薄、规格多等等特点，使得h 型钢具有抗弯能力强、施工简单、节约成本和结 构重量轻等优点，其用途完全覆盖普通工字钢【2 1 。因此h 型钢在高层建筑、工业 厂房、火力发电、机械制造、起重机械、石油化工、海洋工程和地铁工程等行业 受到了越来越广泛的应用p 吲。作为一种多用途高效钢材，h 型钢是我国提倡发展 的经济性钢铁产品之一。 1 1 2 热轧h 型钢生产流程简介 h 型钢的生产方式有焊接和轧制两种。焊接h 型钢是将厚度合适的带钢裁成 合适的宽度，在连续式焊接机组上将边部和腰部焊接在一起，这种生产方式金属 消耗量大，生产的经济效益低，而且不易保证产品性能均匀等缺点；轧制h 型钢 是采用轧机对坯料进行金属压力加工的一种生产方式，轧制是生产h 型钢的主要 方式，其中又以热轧居多数1 6 羽。 莱钢中型热轧h 型钢生产线是上世纪9 0 年代引进新同铁技术生产，型钢典型 的生产工艺如下：加热炉为步进式加热炉，具有热装和冷装两种方式。连铸辊道 炉区侧有一座步进式缓冲炉，用于对热钢坯的暂时保温。热送或冷送的钢坯经称 重和测长后进入加热炉，加热至所需的温度后开始出料，经高压水除鳞后进入二 辊可逆式粗轧机，该轧机最多有1 5 个轧制道次。经轧制后，初步成型的轧件经切 头锯切头后进入精轧机组。通常精轧机组的轧机组态为 u i _ u 2 _ e l _ u 3 _ u 4 _ e 2 一u 5 ，u 型轧机为预应力型可转换紧凑式万能轧机。 经过精轧机组的轧制后，轧件由1 # 热锯分为两段。当头段经2 # 热锯切头后，将 和尾段轧件被分别拉入冷床。冷却后的轧件经冷床输出，进入九辊悬臂式矫直机， 经矫直后进入编组台架。当达到设定的编组支数后，轧件输出到冷锯辊道进行锯 切。锯切后的产品进入检查台架。经检查后，合格的产品进入码垛台架，不合格 的产品进入剔除台架。码垛后的产品在打捆后经称重机称重和挂上标牌，再经 传送辊道和拉入小车拖入成品台架，然后由行车吊入成品库，等待外运。 型钢轧制布置形式绝大多数是横列式和串列式，以生产h 型钢为主的万能轧 机有少量的半连续布置m ； 串列式：典型的串列式大型型钢机多数是万能轧机其轧机组成最常见的方 式是：粗轧机为一台或者两台二辊可逆开坯机( 简称b d 机) ，中轧机为一组万能一 轧边端一万能3 机架可逆连轧机组( 简称u e u 机组) 或者一组或两组万能一轧边端 可逆连轧机组( 简称e u 机组) ，精轧机是一台成品万能轧机( 简称u f 轧机) ，见 图1 - 2 。 瞎拿 i 罂，jm 型j | = = 正： 图1 - 2 热轧h 型钢生产流程示意图 横列式：以一列和两列式最多，两列式布置其b d 机一般为两棍可逆开坯机， 第二列的轧机为三棍的轧机，见图1 3 。一列式布置的机架一般是三棍轧机。 图1 - 3 热韩挂型钢生产流程示意囝 - 士一 安 卅 + 主 持+ 第1 章绪论 半连续式：在万能连轧机组前有一台或者两台两棍可逆开坯机，万能连轧机由 5 - 9 架万能轧机( u ) 和2 3 架轧边机( e ) 组成，万能连轧机数目较多时，可以分 成两组，莱钢精轧如同l - 4 所示。 i 碡斯函j ：出租# b 喇： 图 1 14 国内外h 型钢生产的历史、现状 随着现代工业的发展，方、圆、角钢等简单断面型钢己不能满足大型工程的 设计要求，前述所知，h 型钢具有一系列的优点，相比于以上钢种具有截面模数 小o f 太、惯性矩大o f 小及相应的强度高等特性，可更好的满足特殊场台的需要。 1 8 5 0 - 1 8 6 0 年间，人们发明了万能轧机。这种万能轧机有一对水平辊和一对立 辊组成，水平辊由电机驱动，立辊靠轧件摩擦力带动，万能轧机的出现对于宽腿 和平行腿工字钢的生产具有决定作用。 1 9 0 2 年，德国建成了世界上第一台带旋转立辊和单独设置轧边端机的h 型钢 轧机。奠定了h 型钢轧机的基本形式；后续的万能轧机都是基于此进行改进，这 种类型的轧机一直应用到1 9 5 5 年。 1 9 5 5 年后至1 9 7 0 年，随着建筑业的发展，要求轧钢厂提供腿和腰很薄的平行 腿工字钢。根据实际需要新建轧机采用多机架的万能轧机机组，在轧制方法上多 采用连轧的方法来获取高的生产率。 1 9 7 0 年后，计算机技术在轧制工业上成功应用使h 型钢轧制工艺得到了进一 步的完善。世界各国纷纷建设新式的万能轧机，并出现了连续式万能轧机。r 本h 型钢生产技术进步较快，多采用了连续轧制、高速轧制和计算机控制等新技术。 同本h 型钢的生产无论在产量还是质量上都名列前茅。目前，h 型钢的主要生产 国家有日本、美国、韩国和法国等嘲。 我国的轧制h 型钢生产丌始于2 0 世纪7 0 年代，包钢轨梁厂曾用二辊孔型加 装立辊框架的方式生产过少量的h 型钢，以满足国内建设急需，随后武汉，上海， 雪 j j j 尔人学硕十学位论文 鞍山，宝鸡和山海关等地的金属结构厂和桥梁厂均可生产焊接h 型钢，我国h 型 钢轧制生产线于1 9 9 1 在马鞍山钢铁股份有限公司投产，仅能生产单一规格的h 型 钢；马鞍山钢铁股份有限公司和莱芜钢铁集团又分别引进德国和日本万能连轧设 备，分别于1 9 9 8 和1 9 9 9 年相继投产，生产的h 型钢规格多样化，也成为我国到 目前为止最大的两个h 型钢生产基地【l o 】。2 0 0 3 年，日照钢铁集团宣布成立，主要 产品为热轧中型h 型钢，借助于地理位置的优势，其生产的h 型钢主要市场是国 外。此外，国内还有不少企业正在筹建h 型钢生产线，h 型钢生产新技术也得到 了迅速发展，产品型号已经覆盖了大、中、小多个规格，年产量在我国钢梁产量 中的比重也不断上升。预计到2 0 1 0 年，我国h 型钢年生产量至少达到9 0 0 万吨i 】。 1 2h 型钢生产中面临的主要问题 随着经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高，对h 型钢的外形和材料强 度、刚性、韧性等性能要求也不断提高。 提高h 型刚性能的方法，一是改变钢材本身的合金成分，添加适当的合金元 素来保证特殊性能的实现；二是在不改变主要合金元素或者说是添加适当的微量 合金元素的前提下，通过控制其热轧工艺参数以及控制热轧后的冷却过程，实现 性能的改变，也就是所谓的“控制轧制和控制冷却工艺”。 目前的研究资料表明，研究者已经根据大量的实验数据建立了微合金元素与 微观组织、以及微观组织和常规力学性能之间的数学模型。所以，目前研究工作 的重点应是如何利用这些数学模型去指导复杂断面型钢的实际生产过程。主要问 题如下： 首先，需要提高h 型钢的尺寸精度和形状精度。目前h 型钢的腹板和翼缘尺 寸精度已经分别达到了0 0 5 m m 和0 0 6 m m 。日本也采用了在万能轧机的前后 设置自己研制的轧边机和辊式导板，以减少h 型钢的中心偏移量。 其次，改善h 型钢的内部组织性能，提高力学性能。通过提高h 型钢轧制过 程的控轧和控冷技术，控制轧件的轧制温度和终轧温度，得到理想的晶粒组织， 使h 型钢产品具有优良的力学性能。 现在我国对h 型钢的需求同益增加，这需要我们根据市场的需求，完善h 型 钢的产品标准，丰富h 型钢的产品种类，建立起健全的h 型钢生产体系。 4 第1 章绪论 1 。3 有限元方法及其在钢材轧制中的应用 1 3 1 有限元法发展概述 有限元法是随计算机技术发展而兴起的一种现代数值计算方法，它把一个连 续的、具有无限自由度的整体划分成有限自由度的单元集合，通过对单元求解最 终实现对整个连续体数值的求解，它已经成为计算力学和计算工程科学领域里最 有效的计算方法【1 2 】。 有限元法的提出是在2 0 世纪6 0 年代，经过多年的发展使得有限元法形成了 完备的理论体系【1 3 1 。随着计算机软硬件的发展，极大的促进了有限元理论研究和 实际结构分析的进步【1 4 1 。 有限元法能够成功解决各种各样的固体力学问题，五十年代初，它首先应用 于连续体力学领域：飞机结构静、动态特性分析中，用以求得结构的变形、应力、 固有频率以及振型。由于这种方法的有效性，有限单元法的应用己从线性问题扩 展到非线性问题，分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材 料，从连续体扩展到非连续体f l5 1 。 1 3 2 有限元法在金属成形模拟研究中的应用 金属塑性成形过程是典型的多重非线性问题，金属流动是在大位移、大应变 的条件下发生的，涉及到材料的非线性以及几何非线性，因此描述材料的本构方 程已经不再适用，必须去除刚性对应变的影响；此外，材料进入塑性状态后，应 力应变关系应该用塑性增量理论描述，还要综合考虑应力状态对变形的影响。此 外，对于热塑性成形，还应该考虑到温度和变形的相互影响。 大变形弹塑性问题有两种描述方法【蛤1 8 】，其一为e u l a r 描述，采用的是空间固 定坐标系，以空间坐标和时间描述物质的运动状态，这种描述方法适合于求解稳 态流动问题；其二维l a g r a n g e 描述，将坐标系固定在物体构形上，用物质坐标和 时间来描述物体的运动状态，这种方法适合于追踪一个物质点的运动过程，但描 述物体变形的应变一位移关系比较复杂。与这两种描述方法相对应的有限元法分 别称为e u l e r 有限元法和l a g r a n g e 有限元法。 为综合e u l e r 描述和l a g r a n g e 描述的优点，后来出现了修正的l a g r a n g e 描述( 简 5 山东人学硕十学位论文 称u l 描述) d g 。在这种描述法中，当t 时刻的运动状态和构形求出后，即用当前 物质点的实际位置来更新物质坐标，因此，物质坐标在质点运动过程中不断得到 更新。在以t 时刻的实际构形为参考构形，求解下一时刻的构形时，可以大大简化 应变表达式。采用u l 法描述的有限元称为u l 法有限元，而未经修正的l a g r a n g e 有限元又称为t l 法有限元( t o t a ll a g r a n g e 有限元) 。在塑性成型过程的分析中，按 照是否考虑弹性变形，又将有限元法分为两类1 2 0 一类是刚塑性有限元法，采用e u l e r 描述，求解变形体的稳态流动，忽略了材 料的弹性变形，变形体由刚性区直接进入塑性变形，计算过程往往较为简单。但 刚塑性有限元法不能分析塑性变形后的弹性恢复，应力计算也不够准确，计算过 程的收敛效率对初始速度场的设定依赖性强，而初始速度场又难以设定准确，这 些给其工程应用带来诸多不便；另一类是弹塑性有限元法求解中包含了物体的弹 性变形部分，可以模拟物体弹塑性变形的发展过程及卸载过程，获得的计算信息 量大。弹塑性有限元多采用u l 法或t l 法描述，其求解过程要涉及到几何非线形 问题。 刚塑性有限元法在体积成型方面应用较1 2 0 , 2 1 ，为了求解应力并处理体积不 可压塑条件对运动许可速度场的限制，发展了l a g r a n g e 乘子法、罚函数法、可压 缩法等理论，丰富了刚塑性有限元法的理论体系【2 2 ，2 3 】；弹塑性有限元法则在体积 成型和板料成型方面都得到了广泛应用【2 0 】。特别是随着有限变形理论和增量流动 理论的应用，这种方法可以精确地跟踪模拟物质的运动状态，全面再现物体的变 形过程。由于在求解中不需要人为地设定待求量的初始值，因此其收敛性得到了 保证，几乎没有对人为因素的依赖性。目前，国际流行的商用有限元软件大多以 有限变形弹塑性有限元法为其核心。 国内外学者采用刚塑性和弹塑性这两种不同的有限元方法对金属塑性成形过 程了进行了大量的模拟研究，得到了若干有意义的结论并给后人的继续研究提供 了很大借鉴1 2 4 2 7 】。 1 3 3 热轧h 型钢轧制有限元仿真的研究现状 h 型钢轧制过程的理论研究工作在上个世纪已经深入展开，国内最早的相关 研究开展于燕山大学，燕山大学的w e n z h iz h a n g 和y a n w e nl i 等人通过分析得出 了h 型钢最佳断面形状，并通过实验的方法对所得的结论进行了验证 2 8 - 3 0 】。有限 6 第1 章绪论 元法的不断发展以及随后出现的成熟商业化有限元软件为研究h 型钢轧制过程提 供了新的思路，现在有很多学者开始通过有限元法求解h 型钢轧制过程的参数， 并期待用大型商业有限元软件来模拟出h 型钢的轧制过程，从而达到预测h 型钢 产品质量，迅速改变生产线轧制工艺的目的。由于金属在孔型内变形情况较板材 轧制而言要复杂的多，因此有限元法的应用主要还是分析变形过程中金属内的应 力、应变和温度场变化，对轧制工艺参数和奥氏体微观组织之间的计算机模拟工 作进行的较少。 刘相华等阐述了刚塑性有限元法的基本理论，用刚塑性有限元法分析三维单 元的几个基本问题及其处理技巧和轧制过程温度场的有限元解等，并解决了万能 孔型中轧制h 型钢的初步问题1 3 。 刘洪伟、阎军等采用m a r k m e n t a l 分析软件对h 型钢的冷却过程中温度场进 行分析。以了解h 型钢冷却过程中温度场分布及其变化规律，并提出些切实可 行的控制冷却方案【3 2 】。 孔祥伟，李壬龙等采用大型有限元分析软件a n s y s 对四辊轧机工作辊的温度 场进行了模拟，在模拟过程中，考虑了轧辊和轧件间的瞬态热接触和对流边界， 动态分析了热轧时工作辊的升温过程，预测了工作辊的瞬态温度分布，并将所得 的温度分布用于热凸度的近似计算中3 3 1 。 w e n z h iz h a n g 和q i n g t i a nz h o u 等人用解析的方法计算出了h 型钢里面温度场 的分布，他们通过热力学的计算公式并且结合h 型钢的形状特点，给出了新的计 算公式1 3 4 。3 5 1 。 k a z u t a k ek o m o r i 利用有限元方法模拟了多道次三轧辊轧制时轧件的变形与温 度的分布，得到各轧机对轧件变形及温度的影响【3 6 1 。 m a d a k a s i r ap r a b h a k a rp h a n i r a j 和b i n o db i h a r ib e h e r a 等人用大型商业软件 d e f o r m h t 分析了薄板连轧时的应力应变，在他们的分析中考虑了热交换，热 容等对轧件温度变化的影响【3 7 1 。 朱国明、吴迪和赵宪明等人在他们研究中用a n s y s 模拟了h 型钢初轧的四个 道次。他们采用了毛坯的1 4 模型作为变形体进行网格划分。计算时，轧辊和轧 件之间的接触采用库仑摩擦，给轧件一个初始速度，沿轧制方向向轧辊运动，轧 制过程的进给力是两者之间的摩擦力【3 8 】。 奚铁等人借用大型商业软件m s c s u p e r f o r m 2 0 0 2 对h 型钢开坯轧制进行了模 7 山东人学硕十学位论文 拟，他们取1 4 的毛坯模型，研究了h 型钢轧制过程中的金属流动情况【3 9 1 。 曹杰等人借助有限元分析软件m s c s u p e r f o r m 2 0 0 2 对h 型钢万能轧制进行了 模拟，分析了轧件金属变形特点。他们的模拟中，材料的热物理性能参数和变形 抗力取自m s c s u p e r f o r m 2 0 0 2 材料库1 4 0 】。 朱旭光，程鼎借助有限元分析软件m s c s u p e r f o r m 2 0 0 4 对h 型钢轧制过程进 行了模拟，着重讨论了万能轧制不同阶段轧件宽展在孔型中的变化规律【4 1 1 。 冯宪章利用数值分析的方法分析了h 型钢轧制过程中的摩擦力，对不同接触 区内摩擦力的规律进行了总结，获得了稳态轧制过程中摩擦力在不同接触区内的 矢量分布规律1 4 2 。 刘克强等人利用a b a q u s 有限元分析软件分析了中型h 型钢开坯过程，研究 了轧件在轧制过程中应力场分布情况以及温度场的分布情况，对轧件开坯过程中 的金属变形和流动情况进行了分析，为h 型钢开坯工艺的改进提供了参剖4 3 1 。 徐东涛借助a n s y s 有限元分析软件分析了h 型钢冷却过程的温度场，总结 了温度场的分布规律，分析结果对于掌握h 型钢的冷却规律，开发控制冷却技术 具有指导意义m j 。 郭娟等人利用a n s y s 模拟了h 型钢轧后控制冷却温度场的变化，研究并设 计了气雾冷却装置，解决了型钢由于冷却不均导致的翘曲变形等问题，对控制冷 却有十分重要的意义1 4 6 。 贺庆强等研究了高温下q 2 3 5 材料的本构模型，建立高温下q 2 3 5 整体流变模 型，并通过有限元软件a b a q u s 对h 型钢开坯过程中金属的流动情况，应力分布， 温度场分布进行了模拟分析，并建立了相关的数学模型 4 6 - 5 0 1 。 陈伟等借助于a n s y s l s d y n a 有限元分析软件，完成了顺序布置轧机的h 型钢x h 三机架往复连轧过程三维有限元分析，分析了稳定轧制阶段轧件断面金 属的流动情况，变形规律等等，为h 型钢连轧仿真分析提供思路【5 。 朱国明等人借助于l s d y n a 仿真软件，在完成h 型钢轧制全过程的热力耦合 仿真分析结果的基础上，完成了对轧后h 型钢冷却的残余应力分析，主要分析的 是大型h 型钢冷却的残余应力分布状态【5 2 1 。 1 3 4 钢铁轧制预报模型简介 8 计算机模拟技术是一门迅速发展的综合性很强的新兴科学，是工程分析、产 第1 章绪论 品设计和研发的重要工具。工程分析中的很多问题，均可归结为在给定边界条件 下求解其控制方程( 常微分方程或偏微分方程组) 的问题，人们在广泛吸收现代数 学、力学理论的基础上，借助于计算机来获得满足工程要求的数值解，这就是数 值模拟技术，亦称作计算机仿真技术【5 3 1 。 一般来说，仿真技术包括物理仿真和模型仿真。物理仿真指的是建立物理实 体模型进行分析；模型仿真，即用数学模型代替实际系统进行分析、研究或实验。 利用计算机仿真技术，能将实际工程的模型进行各种实验分析。因此，计算机仿 真技术在实际应用中，取得十分明显的效果，并且其应用领域日益广泛 5 4 1 。 轧制过程引入计算机模拟技术是有重要意义的【5 5 。利用计算机模拟，一方面 可以在设备制造之前或者在轧钢生产之前模拟轧制过程的变形和力能参数，从而 优化设备设计或工艺参数及辊型( 或孔型) 设计，以代替物理模拟实验和现场试轧， 避免了物理模拟实验的经费的投入和现场试轧的损失；另一方面可以模拟钢在轧 制过程中的显微组织变化，并预报轧后钢的性能从而优化工艺参数，代替大量金 相试验和工艺参数研究，保证钢材所要求的组织和性能。用计算机来模拟不同工 艺参数下轧件不同部位的应力、应变、温度和冷却条件等，以及在这些条件下的 组织变化，从而得出能保证轧材组织性能要求的工艺参数。因此，计算机模拟可 以起到“虚拟生产”的作用，受到各国轧钢工作者的普遍重视1 5 6 5 9 1 。 我国近年来在塑性加工过程计算机模拟方面进行了大量的研究工作，中科院 金属研究所在国家9 7 3 项目的支持下，开展了组织性能预报工作，结合工艺和物 理冶金模型，开发了r o l l a n 软件 6 0 , 6 1 】，现已在鞍钢17 8 0 线上使用，其离线预 报误差可以满足免检( 或抽检) 的需求，为提高轧钢控制水平、优化工艺参数起 到了不可替代的作用。东北大学、燕山大学、北京科技大学、北京钢铁研究总院 等科研单位在带钢热轧过程组织性能预测技术的开发方面做了很多工作【6 2 侧。揭 示了在各种调节参数下孔型的几何特征，用有限元法模拟分布量，揭示金属流动、 应力应变分布等变化规律，从而优化了轧制工艺。大大缩短了模拟时间，同时保 证了模拟的精度。 1 4 课题来源及主要内容 本课题依托山东省经委科技创新项目：热轧h 型钢生产线虚拟技术研究( 项目 9 山东人学硕十学位论文 编号：2 0 0 3 1 8 2 ) 。采取了实验分析与计算机模拟仿真相结合的研究方法，根据实 验结果确定相关参数，同时根据工程现场数据对计算机模型的进行相应改进，提 高数值模拟准确度。 本课题的主要内容是对中型h 型钢的精轧过程进行数值仿真，分析仿真的结 果，并与现场采集数据相比较来验证修改模型。研究内容主要分为以下几个方面： ( 1 ) 利用g l e e b l e 一1 5 0 0 热模拟试验机，研究q 2 3 5 b 在高温条件下的应力一 应变关系，建立合理的本构关系方程，保证仿真模型材料数据的准确性。 ( 2 ) 以中型h 型钢某个规格产品的生产过程为主要研究对象，建立h 型钢 精轧阶段的热力耦合有限元模型。采用网格重构技术以及欧拉自适应网格算法， 利用网格重构二次开发程序，完成中型h 型钢精轧全过程有限元模拟仿真。并分 析轧制过程中轧件的应力应变场和温度场变化情况。 ( 3 ) 建立h 型钢精轧后散热过程的有限元模型。编写f i l m ，u m a s f l g h s 子程序，研究h 型钢冷却过程的温度场变化情况，同时分析h 型钢残余热应力。 ( 4 ) 根据现场采集的轧辊压力和轧件温度等数据，对比计算机数值模拟结果， 验证h 型钢热轧有限元模型的准确性和有效性。 ( 5 ) 通过实验分析回归出计算轧机负荷等经验公式，并利用模型对精轧前的 冲击进行了分析，对于开发新规格产品、优化热轧轧制工艺参数等提供借鉴。 1 5 课题研究的目的和意义 h 型钢的轧制工艺比较繁琐，在变形过程中影响金属流动情况的因素非常多， 而金属流动情况的变化又进一步影响轧件的轧制力、宽展、前后滑和延伸率等参 数，并最终体现在产品质量上。因此在轧制之前探索轧制过程中金属的塑性变化 规律对轧制过程来说非常重要。h 型钢在精轧连轧阶段，轧件最终变为h 形状， 此过程中金属的塑性变形大，内部受力情况非常复杂。采用有限元方法对此复杂 边界条件下的大位移、大变形的情况过程分析，计算量非常大，因此轧制精轧阶 段的全过程有限元仿真还有待迸一步研究。 随着计算机软硬件水平的快速发展，商业有限元软件通过二次开发已经能够 完成模拟h 型钢精轧过程的任务。本文使用大型有限元软件a b a q u s ，通过编写 用户子程序，完成中型h 型钢精轧的全过程，得到在轧制过程中和轧制结束后轧 1 0 第1 章绪论 件的应力应变、内部各点的温度和轧辊的压力等轧制基本参数。同时分析了h 型 钢轧制后冷却的温度场模拟，对冷却过程的残余热应力进行了分析。对经验模型 的建立和实际问题解决途径进行了探讨，希望通过这种数值模拟的方法能够详细 分析型钢轧制过程的每一个细节，更加准确的了解轧件内部金属流动特性，从而 达到改进现场轧制工艺，提高h 型钢产品质量的目的。 课题研究的意义主要表现在： ( 1 ) 通过有限元计算，可以得出轧件在轧制过程中塑性变形情况。通过对轧 件内部金属质点运动情况的研究，了解轧件的宽展。通过这些参数可以预测新产 品的外形和孔型设计的优劣，提高设计新生产线的准确性，节约试轧的费用。 ( 2 ) 通过有限元计算，可以得出轧辊在轧制过程中不同道次的受力情况。因 此可以通过参考模拟计算的结果，决定轧辊驱动电机的规格和型号及驱动电机电 流的大小。 ( 3 ) 通过有限元计算，可以得出冷h 型钢却后温度场及残余应力的分布情况。 可以根据模拟计算的结果，调整冷却过程中的参数，降低产品的残余应力。 在钢铁行业中，把有限元数值计算与虚拟设计结合起来，提高了孑l 型设计的 准确性，减少了钢铁新产品的研发费用，缩短了产品的研发周期，能够带来巨大 的经济效益1 5 引。 第2 章h 犁钢开坯轧制彳丁限元模拟理论基础 第2 章h 型钢轧制过程有限元模拟理论基础 金属轧制成形过程一个包含几何非线性、材料非线性和边界条件非线性在内 的高度非线性问题。大变形弹塑性有限元法是基于有限变形理论的弹塑性有限元 法，考虑了成形过程中坯料构形的变化，要求在每个时间步都必须同时考虑单元 形状的变化等因素，所以应力应变需要重新定义，本构方程、平衡方程或虚功方 程需要按照重新定义的应力和应变表示。 弹塑性有限元法求解金属塑性成形问题时比较复杂，但能比较客观地模拟出 包括卸载过程的金属塑性成形全过程，同时能够计算出变形过程中的质点的流动 规律，应力应变的分布，卸载后的残余应力和残余应变的分布等，因此，弹塑性 大变形热力耦合有限元法已被广泛地应用于金属热成型过程的数值模拟中1 6 7 1 。 本文研究的h 型钢热轧精轧过程是采用基于u l 法的热力耦合弹塑性大变形 有限元法，在考虑材料、几何及边界条件三重非线性的条件下模拟了h 型钢精轧 的全过程( 单机架，三机架连轧，七机架连轧) 。 正确理解大变形有限元方法原理，有助于建立合理的有限元模型，提高模拟 分析的效率和精度。本章从弹塑性有限元法的基础理论入手，介绍了弹塑性有限 元法的基本公式和求解过程，同时对热力耦合过程的有限元理论进行了简单介绍， 给出了用有限元法求解变形过程中基本思路；同时介绍了温度场有限元理论。 2 1 弹塑性有限元基本原理 研究金属塑性加工问题时，弹性变形与塑性变形相比在总变形量中虽然所占 的比例很小，但是为合理建立有限元模型，提高模拟分析精度，需要考虑弹性部 分的影响，我们称这种有限元分析方法为弹塑性有限元法1 6 引。 在弹塑性变形中，变形体内质点的位移和转动较小，应变与位移基本成线性 关系时，可认为是小变形弹塑性问题；而当质点的位移或转动较大，应变与位移 为非线性关系时，则属于大变形弹塑性问题；相应地有小变形弹塑性有限元或大 变形( 有限变形) 弹塑性有限元。由于在弹塑性变形中，应力应变关系为非线性 的，变形体的最终形状变化通常不能如线弹性问题一样能够一次计算得到；因此， 山东人学硕十学位论文 在有限元分析时，一般只能按增量理论进行求解，即将整个载荷分解成为若干增 量步，逐渐施加在变形体上。 有限元法的基本思路是把求解偏微分方程组的边值问题化为求解某一泛函近 似最小的问题。无论是弹性还是塑性变形问题，自然界的物体总会在变形过程中 遵守最小能量原理。对于弹塑性问题的变分原理来说，可以通过能量积分把偏微 分方程组的求解问题变成泛函极值问题，即在运动许可速度场中设法找出能使总 能耗率泛函取最小值的速度场，这种方法可以方便地用电子计算机实现，因此以 变分原理为基础的各种解法获得了广泛应用【6 9 - 7 1 。 弹塑性有限元法求解中包含了物体的弹性变形和塑性变形部分，可以模拟物 体弹塑性变形的发展过程及卸载过程，获得的计算信息量大。弹塑性有限元多采 用u l 法( u p d a t e dl a g r a n g e 描述，简称u l 描述) 或t l 法描述，在绪论中已有阐 述，这里不再重复。 2 1 1 虚功方程 稳定平稳状态的变形体中，当给予变形体一几何约束所许可的微小位移( 因 为该位移只是几何约束所许可，实际上并未发生，故称虚位移) 时，则外力在此 虚位移上所作的功( 称虚功) ，必然等于变形体内的应力在虚应变上所作的虚应 变功，虚功原理对于弹性变形、弹塑性变形或塑性变形力学问题都是适用的虚功 方程是变形体弱形式的平衡条件，变形体在变形过程中，每一个瞬间都要满足平 衡关系，也就是说满足虚功原理f 7 2 】。 设在变形过程中某一时刻，在体积为y ，表面为s 的物体的一部分表面墨上， 作用的表面力矢量的分量为z ，物体的单位体积力分量为f 。按虚功原理，e u l e r 描述的虚功方程为： 毫，t 1 6 p i d s + if f s l a d v = 0 。i j 6 i ；d y ( 2 - 1 ) 它通过虚位移和虚应变表明外力和应力之间的关系。若将( 2 1 ) 中，用速度变 分6 v ，来代替位移变分酗，即可得虚功率方程为： 上,+ j ，jdyo r , a v , d s f j s v , d v = it yijst(2-2) 1 4 第2 章h 犁钢歼坏轧制有限元模拟理论基础 式中：欧拉应力张量的分量；6 e 物体内质点的虚速度分量；毛阿 尔曼斯应变速率张量分量。 2 1 2 增量理论 金属塑性变形时，材料的弹塑性行为与变形历史和加载过程有关，根据应力 应变全量关系建立起来的形变理论的应用受到很大限制，特别是涉及卸载、重复 加载和循环加载等情况时，形变理论是不适用的。而根据应力应变之间的增量关 系建立起来的增量理论可以真实的反应材料的塑性行为。同时有限元法可以克服 利用增量理论寻找解析解时遇到的困难，因此作为弹塑性有限元分析的基础，这 里只讨论增量理论的有关内容。 2 1 2 1 屈服准则 屈服准