（材料加工工程专业论文）310乙字钢轧制过程实验研究及三维有限元模拟.pdf

内蒙占科技大学硕士学位论文 中文摘要 3 1 0 己字钢是铁路货车车厢的重要结构件。从技术角度讲，3 1 0 乙字钢变形复杂、 乍产技术难度大、孔型设计要求高。包钢轨梁厂生产的3 1 0 乙字钢一商采用现有的孔 ，斟系统，在轧制过程中存在腿部在孔型中充不满，造成腿部尺寸短尺的技术难题。 为了分析研究3 1 0 乙字钢在孔型中的变形规律及孔型设计对产品质量的影响，本 文采用了轧制实验和有限元模拟两种方法进行研究。 本文针对孔型系统，将孔型缩小为实际尺寸的1 5 ，利用实验轧机轧制铅试样的 实验方法，研究了孔型形状参数、道次压下量等因素对3 1 0 乙字钢成型的影响，为改 变孔型系统、提高产品质量提供了解决的方向。实验结果表明：增长短腿水平投影长 度有助| 短腿的伸长。同时，实验室轧制的过程也为有限元模拟提供了计算策略。 在轧制实验的问时，采用显式有限元软件a n s y s l s d y n a ，对3 1 0 乙字钢的轧制 过程进行弹塑性有限元模拟，研究了9 5 0i i 孔轧制变形过程中各道次轧件断面节点的 x 、y 方向的流动规律。同时在模拟过程中，采用了多种方案进行模拟，对各种计算 结果进行相互的比较，其变形规律与实验室模拟结果是一致的，从而可以得出应用有 限软件进行轧制过程的实验模拟是可靠的。 运用数值模拟方法，采用不同的孔型系统方案，模拟分析了采用连铸坯料轧制3 l o 乙字钢的可行性。通过比较结果，选用最优的方案( 即d 轧制方案) 进行工业试验， 从而减少了实验室试验的环节，缩短了产品开发的步骤，降低了产品研制的成本，提 高了产品的市场竞争力。 为r 使a n s y s 有限元软件能够具有在分析3 1 0 乙字钢轧制过程中的通用性，本文 存a n s y s 软件的基础上，采用a p d l 和u i d l 相结合进行了二次开发，编写了适用于现 场丁程技术人员使用的3 1 0 乙字钢模拟分析程序。 父键洲：型钢轧制实验有限元模拟a n s y s 二次开发 内蒙山科技人学硕十学位论文 a b s t r a c t 310z s h a p es t e e li st h ei m p o r t a n ts e c t i o no f t h ec a r r i a g ei nt h el o r r yi nt h ev i e wo f t e c h n i q u e ，3 l0zs h a p es t e e lr o l l i n gh a st h ec o m p l e xd e f o r m a t i o n ，t h er o l l i n gt e c h n i q u ei s v e r yd i f f i c u l t ya n dt h er o l lp a s sd e s i g nh a st h eh i g hr e q u e s t f o rt h e3 10zs h a p es t e e l r o l l i n g t h ep l a n to f r a i la n db e a mo fb a og a n gh a su s e dt h ec u r r e n tr o l lp a s s d u r i n gt h e r o l l i n g ，t h es e c t i o no f t h el e gh a sn o tp e r m e a t e dt h er o l l p a s s s ot h es h a p eo fl e gw a sn o t v e r yp e r f e c t i o n j no r d e rt os t u d yt h er u l eo ft h ed e f o r m a f i o ni nt h er o l lp a s sa n dt h ee f k e to ft h er o l l d e s i g nt ot h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t t w ok i n d so fm e t h o d si e e x p e r i m e n t a lr o l l i n ga n d f e ms i m u l a t i o na r eu s e di np r o f o u n dr e s e a r c hw o r k s t h e r o l l i n ge x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e d i nt h er o l l i n gm i l lo f l a b o r a t o r yw i t hl e a d t h e r o l lp a s ss c a l ei s1 ：5a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i z eo f3 1 0zs h a p es t e e l t h ee f f e c to fr o l l i n g d e s i g na n dt h er e d u c t i o nt ot h em o l d i n go ft h e3 lozs h a p ei st h et o p i co ft h er e s e a r c h w o r k s w ec a nc o n c l u d et h a tt h es h o r t e ri e gw i l l i n c r e a s ew h e nt h el e n g t ho ft h ep r o j e c t i o n o ft h es h o r t e rl e g t h er e s u l t sw i l lo f f e rt h ea s p e c tf o ri n c r e a s i n gt h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t a n dc a l c u l a t i o ns t r a t e g yf o rf e ms i m u l a t i o n m e a n w h i l e t h ed y n a m i ce x p l i c i te l a s t i c - p l a s t i ce l e m e n tm e t h o ds i m u l a t i o no ft h e31o zs h a p es t e e lr o l l i n gp r o c e s su n d e rt h es a m er o l l i n gc o n d i t i o nw a sp e r f o r m e dw i t ht h e f e ms o f t w a r ea n s y s l s d y n a t h ef l o w i n gr u l eo ft h em e t a lw i t ht h exa n dy d i r e c t i o nc a nb er e c e i v e da f t e rs t u d y i n gt h ed e f o r m a t i o no ft h ezs h a p es t e e li nt h e9 5 0i i s o m es c h e m eo fs i m u l a t i o nw i l lb ea d o p t e di nt h er e s e a r c h h a v i n ga n a l y z e dt h er e s u l t s t h ed e f o r m e dr u l ei nt h es i m u l a t i o na c c o r d sw i t ht h er e s u l to ft h e1 a be x p e r i m e n t a l a n di t w i l lp r o v et h a tt h em e t h o do ff e mi nt h er o l l i n gi sr e a s o n a b l e t h ef e mm e 血o dw i l lb ee x e r t e dt oa n a l y z et h ef e a s i b i l i t yo fr o l l i n gt h e31ozs h a p e s t e e lo nb a s eo ft h e c o n t i n u o u s l yc a s t i n gb i l l e t a f t e ri n v e s t i g a t i n g t h er e s u l t s ，t h e o p t i m i z a t i o n s c h e m ef t h eds c h e m e ) c a nb e a d o p t e dt oc a r r yt h r o u g h t h ei n d u s t r i a i e x p e r i m e n t a t i o n t h i sm e t h o dc a nc u td o w nt h el a be x p e r i m e n t a t i o n s oi tw i l ld e p r e s st h e c o s to fe x p l o i t i n gt h en e wp r o d u c ta n de n h a n c et h e c o m p e t i t i v ec a p a b i l i t y o ft h e m a n u f a c t u r ei nt h em a r k e t i no r d e rt ou s e 也ea n s y sf e ms o f t w a r et os i m u l a t et h e3 1 0z s h a p e s t e e lr o l l o nt h e b a s i so fa n s y s t h er e s e a r c ha d o p t st h ea p d la n du i d lt om a k eap r o g r a mf o rt h e e n g i n e e r sw h o w o r ki nt h e1 0 c a t i o no ft h e p r o d u c t i o n k e y w o r d s ：s e c t i o ns t e e l ，r o l l i n ge x p e r i m e n t ，f e m ，s i m u l a t i o n ，a n s y s ，r e d e v e l o p m e n t i i 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 前言 5l 1 x l “是钢铁材料生产的后部】：序，其装备水平、生产技术和管理水甲，是钢 铁】，业总体水平的个重要反映。我国钢铁工业今后发展的战略目标是努力提高轧钢 乍j 。的技术水! f 及产品质量。 根据目前国内钢材结构的分布，在轧制产品的三大类钢材一板、管、型中，型材 仍r l l 较大比重。型材在国民经济中的应用极为广泛，几乎含盖了生产与生活中的各个 力+ 面。随着市场经济的发展，型材的生产已经不是单纯的增加产量，更重要的是扩大 品种规格，进一步提高产品质量，生产高附加值的产品。 1 2 数值计算方法在轧制过程理论研究中的应用 121 数值计算方法简介 金属塑性成形过程是一个复杂的变形过程。材料特性、变形速度、温度、摩擦条 件、崩、利形状和尺寸、i l 型形状等因素对成形过程都有一定的影响。这些因素及其作 川足我们研究的主要对象。会属塑性成形过程的主要任务是结合金属材料的特征，分 析和研究塑性成形过程中应力、应变分布情况以及不同因素对成形过程的影响，如： 坯料与孔型之间的摩擦、坯料形状和尺寸及其在孔型中的入辊位置对成形过程的影 响，从而得出金属塑性成形规律。为解决塑性加工过程中出现的各种实际问题，确定 最住【艺参数，高效低耗地实现成形过程，获得优质产品提供科学依据。 随着当今计算机技术的迅猛发展，数值分析方法成为轧制理论研究工具的主流。 其中辛要的研究方法有：初等数值解法、滑移线法、上限法、边界元法和有限元法等。 初等数值解法即利用数学上解偏微分方程的有限差分法来求解轧制理论中的卡 尔曼方程或奥罗万方程。早在6 0 年代初期，特罗斯特( t r o o s t ) 曾作了采用这种方 法村4 ；l n 过程进行数值分析的最初尝试。其后人们又用这种方法求解过带宽展平辊轧 扳、4 i 对称轧制过程、宽度方向上的不均匀变形、轧板时的3 维压力分布等问题【2 j 。 这种揭发所得的结果一般能够定性地符合轧制压力分布规律和金属流动规律，但其计 算精度比较低。 滑移线理论是二十世纪2 0 年代出现的，经过几十年的发展，现在已经用于分析 多种余属成形过程。轧制厚件( 1 h 1 ) 和薄件的滑移线场已为人们所熟知，其后又 进步用滑移线法研究了异径不对称轧制，接触面下存在一个刚性区的中小辊径轧制 问题等口i 。滑移线法的局限性是它只能处理平面变形或轴对称问题，一般情况下只能 求解力能参数，而对轧制中的宽展、前滑这类变形参数无能为力，也无法解决诸如温 度、材料性质等参量的不均匀分布问题。 一1 一 内蒙占科技人学硕+ 学何论文 基于能量守恒原理的上限法，7 0 年代获得迅速发展并应用于金属塑性成形过程 分析，不仅仅局限丁二求解成形载荷，己扩展到解决工艺过程的有关问题，如分析金属 流动和f 件缺陷的形成等。7 0 年代后期，发展了上限元法( 上限单元技术) ，对锻造 和挤压工艺进行了计算机模拟。后来又发展了上限元反向模拟技术，即按与加工过程 相反的方向追踪中自j 瞬时毛坯的过渡形状，最终得到成形工件所需的坯料或预成形毛 坯的形状和尺寸。这种方法已应用于拉拔、挤压、轧制和锻造中的大量平面变形和轴 埘称问题的模拟分析，也分析了一些非轴对称问题j 。即使如此，上限元法也往往只 能满足时简单成形问题的分析，对复杂成形过程的模拟难以满足工程精度的要求。 u 应用最为广泛和成熟的是在7 0 年代兴起，8 0 年代获得很大进展的有限元法， l 发乃法现已广泛应用于金属体积成形、板料成形和注塑成形等j 艺过程中，一个完整 的塑性成形有限元数值模拟流程如图1 1 所示。 圉1 1 骢性成形数馕攘j 5 【漉程豳 f 晤1 。lf l o w d i a g r a m 蛳叫m e 胤甜s i m b i t i i o n o fr 咖i f o r m i n g 利用有限元法可在计算机上模拟分析塑性加工时从坯料到制件的成形过程，可以 求出应力场、应变场、变形所需的载荷和能量，可以给出成形过程中坯料几何形状、 尺寸和性能的改变，预测缺陷的产生和分析成形质量等。有限元法目前已成为研究塑 性成形规律、材料变形行为及各种物理场的强有力的工具之一，并得到了广泛的应用。 有限元数值模拟方法的优点是：功能强，精度高，解决问题的范围广，可以用不同形 状、彳i 嘲大小和不同类型的单元来描述任意形状的变形体，适用于任意速度边界条件， 刈以方便合理地描述模具形状，处理坯料与模具问的摩擦，考虑材料硬化效应，温度 等各种工艺参数对成形过程的影响，可以获得成形过程中任意时刻的力学信息和流动 信息，如应变场、速度场、应力场、位移场、温度场，预测缺陷的生成和扩展等。并 一2 内蒙占科技大学硕士学位论文 t l m ：计算机卜虚拟实现成形过程，反复演示、计算和优化，这是其它研究方法所无法 比拟的。 122 弹塑性有限元方法的应用 有限元作为数值分析方法的一种，在因际上以其作为研究工具的论文远远超过其 它任何理论分析方法。有限元分析在轧制过程中的金属流动速度场、温度场、应力场、 应变场等的定量计算方面的优越性，很好的弥补了传统理论研究的不足，推动了轧制 理论研究的新发展。 弹塑性有限元是在结构分析中弹性有限元法基础上发展起来的。物体在线弹性变 形时，其应力和应变为线性关系。当物体产生塑性变形后，塑性区内的应力和应变为 j ：线性关系，根据塑性理论可知，它们之间已不再是一一对应的，塑性应变的大小， 不仅决定于当时的应力状态，而且还决定于物体塑性变形的历史。卸载时，在塑性区 内产， 二的应变和应力，按线性关系变化。由于塑性应力一应变关系的这些特点，进行 弹塑陀有限元求解比较复杂。 1 9 6 5 年m a r c a l 引用刚度的概念，用位移表示平衡方程，提出了用数值法解弹塑 性问题。1 9 6 7 年山田嘉昭 4 1 在m a r c a l 工作的基础上利用m i s e s 屈服条件和 p r a n d t l r e u s s 应力应变关系，推导了弹塑性问题的刚度矩阵。此后，弹塑性有限元法 被应用于求解锻压、挤压、拉拔和轧制等各种金属压力加工问题。 玉野敏隆例用弹塑性有限元法分析了平整轧制的小变形问题；刘才等【6 惆弹塑性 有限兀法求解了平辊轧制矩形件( 厚板) 的问题，得到了变形区内各个横断面上的网 格变形、金属流动速度和横向宽展等结果，另外还采用三维弹塑性有限元法对冷轧过 程【7 - 9 1 、薄板带张力轧制【l o _ 1 ”、板材热轧热力耦合过程及h 型钢轧制时的金属流 动舰律和变形规律进行了模拟；杜风山【1 4 - 1 5 分析了宽厚比约为1 0 的薄板轧制过程； h u j s m a n 等”1 采用欧拉一拉格朗同弹塑性有限元分析了立轧过程，探讨了轧辊商径对 变形的影响，并。j 实验值进行了对比；刘立文 1 7 1 分析了冷轧板带变形，给出了轧件厚 度、1 1 - ：1 卜率及摩擦系数的影响；朱有利【1 8 】对带材异步冷轧过程进行了模拟，分析了其 中的轧制压力变化规律；张曼翊【1 9 】采用弹塑性有限元软件a n s y s 对轧制过程进行了 模拟，分析了工艺参数对轧制力的影响。 以上都是通过采用隐式迭代算法的静力分析得到的，近年来，随着显式算法的动 力分析弹塑性有限元在板成形领域中的成功应用 2 0 2 2 1 ，采用显式动力弹塑性有限元进 行轧制过程分析的研究论文也开始出现。f u k u m u r a 2 3 】采用显式动力学弹塑性有限元 分析了平板轧制过程，并将计算结果与经典理论计算结果、隐式静力有限元计算结果 及实验值进行了比较，表明计算结果是可靠的；i g u c h i l 7 4 1 采用显式动力弹塑性有限元 分析h 型钢的轧制过程，并结合理论分析模型计算了四辊轧机的轧制过程；e s a 内蒙古科技大学硕士学位论文 e r v a s t i 2 5 - 2 6 1 采用显式动力学弹塑性有限元分析了热轧板坯表面纵向和横向裂纹的行 为。刘立忠【2 。川采用显式动力学弹塑性有限元，模拟研究了中厚板s l 审 j 过程的轧件、 轧制过程巾的侧弯现象及轧制压力分布规律等问题。李建超 3 2 - 3 3 1 采用显式动力学弹塑 性有限元，对低温轧制棒线材的轧制力进行了研究。 123 金属体积成形的有限元分析 金属体积成形是金属塑性加工中一种十分重要的成形方法，它包括锻造、轧制、 挤胍和拉拔等。j _ i 1 于轧制过程中复杂的几何特性和物理特性，利用传统轧制理论求解 孔型中的轧制过程是非常困难的。有时从工程应用的角度考虑，采用极为粗糙的假设 条件来做近似处理，例如在计算孔型中变形是所采用的等效矩形法p ”，利用轧前轧后 的甲均高度来计算各种不同孔型中的压下量，显然与实际情况相去甚远。在有限元法 成功地用于求解轧制过程之后，这类问题逐步得到理论上接近合理的解决，使孔型中 轧制的特点能在较为严密的理论解析中得到正确反映。 令属成形过程的有限元分析有着高度的非线性，主要有几何非线性、材料非线性 和边界条件非线性。金属成形过程有限元模拟技术的关键问题是如何在形成有限元列 ，州，个呵地考虑上述非线性因素。 会属成形过程分析的有限元法根据处理非线性问题的方法不同可分为两种类 型：种是在材料的本构关系中，忽略表现过程中的弹性部分，认为变形丌始即进入 翅件或粘塑性阶段，因此简化了本构方程的表达式。在形成有限元列式时，这种方法 以速度为基本量，以空间坐标和时间来描述质点的瞬时运动状态，可称为空间描述法， | ：! j j 所谓的欧拉( e u l a r ) 描述法。这样就可以类似于流体力学中对于非牛顿流体的求 解方法，根据基本控制方程，得出质点运动的速度场。因此这种方法也称为流体形有 限元法。属于这种类型的有刚塑性有限元法和粘塑性有限元法。 sk o b a y a s h i t 3 5 - 3 7 】及其合作者先后采用刚塑性有限元法分析了锻造、挤压、轧制 等体积成形问题。0 c z i e n k i e w i c z 【3 s - 3 9 给出了刚塑性有限元法中的罚函数法，并进行 了稳态流动的热力耦合计算，分析了轧制、挤压等工艺。我国许多学者【4 0 。4 2 也对刚塑 仃限儿法进行了研究。随着计算机技术及软硬件的发展，运用三维有限元技术对会属 成形过稗进行模拟受到普遍重视。j h y o o n 和d y y a n g 4 3 1 采用模块化的网格重划方 法，用三维刚粘塑性有限元法分析了伞齿轮的模锻过程。熊尚武等】运用三维刚塑性 自限厄法对平板轧制过程中的形状缺陷进行了分析，韦东滨等 4 5 j 对无孔型轧制的轧件 的自由表面形状进行了研究。还有许多学者 4 6 - 5 0 1 采用三维刚塑性有限元法对型钢的轧 制过程进行了分析，研究了网格重划技术，甚至开发了三维刚塑性有限元模拟软件。 由于刚塑性有限元法忽略了弹性变形部分，使得计算程序大为简化，从而节约了 讨算日、j 问。山于金属成形过程是大应变行为，弹性应变只占很小部分，忽略变形的弹 一4 内蒙古科技火学硕十学位论文 1 r 部分，计算结果能满足工程的需要。但是这种方法有其局限性。它不能模拟加工中 弹性效应的影响，如弹性恢复，也不能进行成形后的工件内残余应力的分析，这对于 些成形过程的产品的质量是至关重要的。另外，这种简化还带来系列的难题，如 初始速度场的没定、变形区( 塑性或粘塑性区) 和线性区( 刚性区) 界限的划分、存 在速度升：连续等。 另种类型的有限元法则考虑包括弹性变形在内的全过程，以塑性理论中的 p l a n d l r e u s s 增量理论得出的本构方程，以位移增量为基本变量形成有限元列式。在 歧营 n 标系统时，这种方法多采用物质点的初始位置作为参考点，考察质点的运动状 态。这种捕述f 叮称为参考描述法，即拉格朗h ( l a g r a n g e ) 描述法。属于这种类型的 i 要是弹塑性有限元法。 最早应用有限元法对金属成形过程进行分析时，是基于线弹性结构分析的有限元 法。即把虎克定律用弹塑性本构关系来代替，把塑性变形中力和位移( 或应力和应变) 之刚的曲线关系用分段的直线来代替。这样带来了两个问题：是实际操作上的困难。 为了保证以直代曲的精度，整个变形过程就必须分为许多小段( 增量步) ，因而使计 算时间大为增加；二是方法本身的合理性问题。当计算大应变问题时，要采用大应变 理论中关于应力增量和应变增量( 或应力率和应变率) 的定义式。因此初期的弹塑性 有限元法只适合于分析应变量较小的成形过程，即小变形弹塑性有限元法。 但是，以微小变形理论为基础的弹塑性有限元法只适用于分析金属成形的初期， 随着变彤量的逐渐增大就会出现明显的误差，于是发展了大变形弹塑性有限元法口“。 在运用了有限应变的相关理论后，不仅解决了定义式的合理性问题，而且在很 久程度 ：解决了增量步过小而使时问过长的问题。这是由于在定义式中考虑了儿何非 线性，从而允许采用相对较大的增量步。解决了两个基本难题后，弹塑性有限兀法显 现出较大的优越性。 大变形的理论基础研究最早是由h i l l 开始的，后来h i b b i t 等首次提出大变形有 限兀列式。随后o s i a s 及m c m e e k i n g 等分别采用e u l e r 描述法建立了大变形有限元列 式，从此大变形有限元法不断完善，解决了一些实际问题。例如美国的l e e 等分析了 平丽应变和轴对称挤压问题； k o n b a y a s h i 等分析了张拉成形、半圆冲头的拉深、镦 粗、静液胀型、挤压等【5 l 】。在我国，应用有限元解决金属成形问题也非常广泛。刘才 1 9 1 探训了- 轧制过程的三维有限元模拟；王纪武等口2 】丰艮据总结和验证弹塑性有限变形理 沦，：次开发了忽略刚度硬化影响的三维有限变形弹塑性有限元程序；寇淑清等! ，” 提出适于大应变、大位移与界面摩擦三重非线性的三维弹塑性有限元列式，给出了一 种处王早五维动念边界摩擦与约束的新方法；王纪武等【5 4 j 对体积成形的三维有限变形弹 搬性有限元法进行了研究，开发了适用于这种弹塑性的用户单元等，都取得 r 较好的效果。 一5 内蒙古科技大学硕士学位论文 采用掸塑性有限元法分析金属体积成形问题，不仅能按照变形路径得到塑性区的 发展情况，t 件中的应力、应变分布规律及大小、以及几何形状的变化，呖且还能有 效地处理卸载问题，计算残余应力和残余应变，从而可以分析产品缺陷及防止产生缺 陷等问题。随着计算机技术的发展和大容量低价位讨算机的出现，弹塑性有限元法得 剑越来越广泛的应用。 1 3 a n s y s 有限元分析软件概况 a n s y s 有限元分析软件是一个利用计算机技术进行工程分析的大型、通用软件， h i 运行于巨型计算机、小型计算机、工作站以及p c 机上。a n s y s 程序能满足从汽 车、电子到宇航、化学等大多数工业领域的有限元分析( f e a ) 的需要，其功能已为全 世界所公认。a n s y s 软件在1 9 9 5 年成为分析设计领域中第一个，也是迄今为止唯一 + 个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的软件，是美国机械工程师协会( a s m e ) 、美国核安全局 ( n q a ) 认证的标准软件之一。a n s y s 软件在中国率先通过全国压力容器标准化技术 委员会的严格考核，成为唯一与中国压力容器分析设计标准( j b 4 7 3 3 2 9 5 ) 相适应的 f e a 软件。 a n s y s 文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。a n s y s 多物理场耦合的 功能，允许在同一模型上进行各式各样的耦合计算，如：热一结构耦合、磁一结构祸 介以及电一磁一流体热耦合，在p c 机上生成的模型同样可运行于巨型机上，这样就 确保了a n s y s 对多领域多变工程的求解。 a n s y s l s d y n a 的前后处理器是a n s y s 伊r e p o s z 求解器l s d y n a ，是全 世界范围内最知名的有限元显式求解程序。l s d y n a 在1 9 7 6 年由美国劳伦斯利沃 莫尔国家实验室( l a w r e n c el i v e r m o r en a t i o n a ll a b o r a t o r y ) j o h a l l q u i s t 博士主持开 发，时问积分采用中心差分格式，当时主要用于求解三维非弹性结构在高速碰撞、爆 炸冲击卜的大变形动力响应，是北约组织武器结构设计的分析工具。l s d y n a 的源 程序曾在北约的局域网p u b i cd o m a i n 公开发行，因此广泛传播到世界各地的研究机 构和大学。从理论和算法而言，l s d y n a 是目前所有的显式求解程序的鼻祖和理论 鹱础。 1 9 8 8 年，j , o h a l l q u i s t 创建利沃莫尔软件技术公司( l i v e r m o r es o f t w a r et e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n ) ，l s d y n a 开始商业化进程，总体来看，到目前为止在单元技术、材料 模式、接触算法以及多场耦合方面获得非常大的进步。1 9 9 6 年功能强大的a n s y s 前后处理器与l s d y n a 合作，命名为a n s y s l s d y n a ，目前是功能最丰富，全球 用户最多的有限元显式求解程序。 a n s y s l s d y n a 的用户主要是发达国家的研究机构、大学和世界各地的工业 部门( 航空航天、汽车、造船、零件制造和军事工业等) 。应用领域是：高速碰撞模 一6 内蒙古科技人学硕士学位论文 拟( 如飞机、汽车、火车、船舶碰撞事故引起的结构动力响应和破坏) 、乘客的安全 性分析( 保护气囊与假人的相互作用，安全带的可靠性分析) 、零件制造( 冲压、锻 压、铸造、挤压、轧制、超塑性成形等) 、罐状容器的设计、爆炸过程、高速弹丸对 板靶的穿f = = 模拟、生物医学工程、机械部件的运动分析等。 1 4 研究背景 1 4 13 1 0 z 字型钢目前生产状况 3 1 0 乙字钢【5 纠( 见图1 2 ) ，是铁路货车车厢的重要结构件。它的开发工作于5 0 年代末6 0 年代初设计完成，并且试轧成功。作为典型的不等厚不对称型钢，它的成 功轧制是我# t l 型设计水平步入世界先进行列的一个标志1 5 6 】。 图1 23 1 0 2 ：宇型钢断面尺寸 从技术角度讲，3 】0 乙字钢变形复杂、生产技术难度大、孔型设计要求高，包钢 轨梁厂生产3 l o 乙字钢已有五年历史，五年期间，成材率有所提高，但是一直徘徊在 7 5 左右( 一次成材率6 8 ) ，严重影响了3 1 0 乙字钢效益的提高。 多年来，生产的3 1 0 乙字钢一直采用现有的孔型系统，在轧制过程中存在腿部在 孔型中充不满，造成腿部尺寸短尺的技术难题。导致3 1 0 乙字钢合格率较低。分析总 结1 9 次到4 4 次的生产情况，一次检查成材率仅6 7 6 5 。坯料从加热到检查工序的 过程损耗率1 1 5 2 3 ( 包括烧损、中废、切损) ，和孔型结构有关的废品损耗率1 3 2 9 6 ( 长腿短、长腿长、短腿短、短腿长、腿厚、钝角、过充) ，刮伤2 8 1 6 ( 主要是 腿尖刮伤) 。近两年在现有孔型结构的基础上进行了多次修改，但是总的看效果并不 理想，成材率没有明显改善；各批次成材率不稳定，随机性很大，即使是调整水平较 好的班别也不例外。 内蒙占科技人学硕士学位论文 14 2 包钢3 1 0 乙字钢轧制变形过程中存在的问题 142 1 轧件腿部几何尺寸波动 根据3 1 0 乙字钢孔型没计的特点，成品前孔型由直线段、水平段和圆弧过渡段二 部分构成，测量时还有应考虑腰部尺寸的影响。所以在测量小样时，上述四种尺寸因 素一定要综合考虑。长腿尺寸不合适，一般有以下主要几种原因：即压下量分配不合 理造成某一孔型长腿不合，入口宽度不合适造成轧件进孔位胃不正，导卫横梁高低不 合适造成钢位置不稳定，成品孔入口导卫横梁高低与轧制线不匹配、钢坯温度不均造 成腿部尺寸波动等等。 142 2 不对称断面造成轧件扭转 腿部与腰部压f 量不匹配、长短腿侧压不匹配和卫板安装不合适都可能产生扭 转。曳u 果扭转轻微，在轧件出钢后，靠轧件自重可以恢复成平直状态，或通过调整卫 板解决；如果扭转，一重( 可能伴随着轧件弯曲) ，通过调整压下量首先解决弯曲，扭 转现象可以得到减轻，然后调整卫板解决扭转。 1 423 连铸坯轧制乙宇钢时空型的充满度问题 为了适应大方坯连铸的要求，3 1 0 乙字钢轧制坯料将由模铸钢坯改为连铸坯。由 j 二连铸坯的尺寸为3 8 0 m m x2 8 0 m m ，相比模铸钢坯有较大的变化，为了能使成品能够 达到使用的要求，必须设计新的孔型系统和轧制规程，使金属在轧制过程中能较好的 允满孔型，获得理想的成品形状。 1 5 研究问题的提出 为了分析研究3 1 0 乙字钢在孔型中的变形规律及孔型设计对产品质量的影响，本 文通过实验室变形模拟以及a n s y $ 有限元分析软件，对31 0 乙字钢在蝶式孔轧制变 形中的会属流动、轧件扭转等问题进行全面、细致的三维变形模拟，分析乙字钢在轧 制过程中孔型尺寸、压下规程对乙字钢长腿以及短腿宽展的影响，并与包钢孔型尺寸 以及实验模拟结果进行了对比，从而找出影响3 1 0 乙字钢在整个变形区金属流动规律 的主要凶素。与工业试验相比，实验室进行轧制变形模拟和数值模拟可以节省工具准 备费用和试轧费用，而且在工艺上是切实可行的。 为了适应大方坯连铸的生产要求，3 1 0 乙字钢生产坯料由原来的模铸钢坯改为连 铸坯。基于实验室模拟结果与计算机模拟结果的比较，根据现场的实际生产条件，设 计坯料尺寸为3 8 0 x 2 8 0 连铸坯，轧制方案按设计的三套孔型系统进行模拟计算，采 j ； ja n s y s 有限元软件对连铸坯在不同尺寸、形状切深孔中的变形过程进行计算机模 拟试验，从而确定最终的轧制方案。 一8 内蒙吉剩技人学硕t 学位论文 1 6 主要研究的内容 本文t 要采用有限元数值模拟方法，利用a n s y s 有限元软件，对3 1 0 乙字钢的 轧制成形过删进行了系统的研究，其主要内容有： ( j ) 乙字钢轧制变形的实验研究。采用铅试件在实验轧机上进行模拟实验，针 对牛h 同的坯料，改变孔型的尺寸，定性的研究腿部在轧制过程中的变形情况，分析了 金属在成形过程中的流动趋势，为有限元数值模拟计算提供参考数据。 ( 2 ) 采用包钢轨梁厂现有轧制3 1 0 乙字钢的轧制工艺，采用a n s y s 有限元软 件进行计算机数值模拟。同时改变孔型尺寸后重新对轧制过程进行变形模拟，分析尺 、j | 变化对轧件形状的影响及金属质点的流动规律，验证运用a n s y s 有限元软件进行 轧制模拟实验的可靠性。 ( 3 ) 采用计算机模拟的实验方法开发轧制3 1 0 乙字钢的新的孔型系统，以适应 人方坯连铸的生产要求。通过计算机模拟研究金属在新的3 1 0 乙字钢的孔型系统中 的变形舰律，初步确定可行的轧制方案。 ( 4 ) 丌发基于a n s y s 软件的3 1 0 乙字钢轧制模拟变形的分析软件系统。 一0 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 23 10 乙字钢变形规律实验研究 采用铅试样进行轧制过程的模拟实验是研究轧件在高温状态下变形的方便而有 效的方法。本论文采用铅试样进行3 1 0 乙字钢的轧制模拟，通过实验研究孔型尺寸的 改变对轧件腿部变形的影响，从而定性的了解金属在孔型中轧制时的变形规律，同时 为有限元计算提供了模拟条件。 2 1 实验目的 采用铅试样，进行3 1 0 乙字钢的轧制变形模拟实验，主要为达到以下目的： ( 1 ) 研究在3 1 0 乙字钢成形过程中，孔型与压下量对轧制变形的影响，从而为 提出改进措施寻找依据： ( 2 ) 为有限元模拟提供相应的轧制条件，确定有效而准确的模拟策略。 2 2 实验条件和实验方案 2 2 1 实验原料的选择 实验选用铅作为模拟材料。常用的工业纯铅密度为11 3 7 9 e d ，在室温下能再 结晶，其应力一应变关系曲线和应变速度一应力关系曲线与热态锻造钢的相应曲线基本 相似，硬化指数f t ( 即o = be ”中的n 比值) 、应变速度敏感指数m ( 即o = ce ”中的m 值) 和无润滑状态的摩擦系数“也与热态段造钢的相应值基本一致，如表2 一l 所示。 因此，用室温下铅的变形模拟热态下钢的塑性交形符合模拟准则的要求，而且实验量 测方便，数据准确可靠，易于保持变形后的形状尺寸。因此，根据相似理论原理采用 铅模拟符合实验要求。 表2 - l铅与热态钢的比较 、项目 材 nm斗 热态钢 0 2 5o 0 5 o 1 50 3 5 o 4 ( 9 0 0 - 1 2 5 0 ) |铅( 室温) o 1 o 40 0 2 o 0 70 2 5 o 4 2 22 模拟实验用孔型系统 根据包钢现场条件以1 ：5 的缩放比例进行实验室模拟。本文采用3 8 0 2 8 0 钢坯 按1 ：5 缩放为横断面1 0 9 x 4 0 r a m 的铅方坯作为原料，包钢现场的孔型系统如表22 ： 一i o 内蒙古科技大学硕十学位论文 农22现场用950 轧机i i 孔孔型 i 、1 、孔型 原孔型设计方案新孔型设计方案新孔型设计方案 闲素、( i i 孔不变)( i i 。蹙)( i i ：) 短腿外弧半径( m ) 8 5 78 5 77 0 短腿水平投影( m m ) 8 5 59 08 5 5 腰厚( m m ) 7 78 08 0 l “予在原孔型设计中，3 1 0 乙字钢在轧制过程中易出现短腿在孔型中充不满，造 成短腿尺寸短尺。因此为解决上述缺陷的出现，对原孔型设计进行相应的改进。 模拟实验采用1 ：5 的缩放比例，针对9 5 0 i i 孔车制了三套改进后的孔型，孔型设 i f 模拟实验方案见表2 3 ： 表2 3模拟实验用i i 孔孑l 型 、孔型原孔型设计方案新孔型设计方案新孔型设计方案 冈素 ( i i 孔不变)( i i 。女)( i i 。女) i 短腿外弧半径( m m ) 1 7 1 41 7 1 41 4 短腿水平投影( m m ) 1 7 11 81 7 1 腰厚( m m ) 1 5 41 61 6 223 实验室模拟轧制工艺 实验室模拟实验轧制工艺流程：坯料- - 9 5 0 轧机i 孔( 立压孔型2 道次) - - 9 5 0 轧机i i 孔( 4 道次) - - 9 5 0 轧机i i i 孑l ( 1 道次) - - 8 0 0 轧机i 孔( 1 道次) 。 2 3 实验方案制定 23 1 实验要求 为了便于新孔型设计方案与原孔型设计方案的比较，采用原孔型系统及原压下规 程( 本文定为模拟压下规程一) 进行第一批试件的轧制，以作为比较的摹准。同时为 了便于研究和观察金属在各道次轧制过程中的变形规律，实验要求每组试件在每一轧 制道次中截取一断面进行测量。 232 正交实验设计 实验方案制定采用正交试验 5 7 - 5 9 】，设计实验方案和分析实验结果，提出最优配力 一1 i 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 和丁艺条件，从而设计出可能更优的实验方案。 根据实验室现有条件及包钢轨梁厂3 1 0 乙字钢生产现场要求，选取孔型、第三道 次及筛人道次的压下量作为模拟实验的主要影响因素( 每一因素均包括f l j i 个水平) 进 乱【r 爻实验设计，选用二水平三团素正交表矧( 见表2 - - 4 ) 来设汁实验方案。 投24l 4 ( 2 。) 三因素二水平l f 交实验表 列号 【实验号 l 23 ll1l 2212 3122 422l 各因素水平表见表2 - 5 。其中，i i 。女表示将原有孔型的短腿水平投影长度由1 7 1 丌l i t i 改为1 8 ir l l l l ，l l ：女表示将原有孔型的短腿外弧半径长度由1 7 ，1 4 m m 改为1 4 r n m 。 表2 - 5因素水平表 卜 因素 a 孔型b 第三道次压下量( m m )c 第六道次压下量( i n m ) 【- l i 韭 54 ，6 f 2h 2 垒 72 6 根据表2 - 4 及表25 各因素水平得如下实验方案，见表2 6 ，结合现场原压下规 程，各组实验的压下规程见表( 2 - 7 ) 表( 2 - 1 1 ) ，其中l 3 号实验分别采用l 3 号舰程。 一1 2 内蒙古科技大学硕十学位论文 表26正交实验计划表 、因素 孔型第三道次压下量第六道次压下量 实验号、 ab ( m i l l )c ( m m ) 1l i i 变 1514 6 22 i i 。变 l522 6 【 3l i i ，变 2722 6 i 42 i i ： 2714 6 233 轧制模拟压下规程 模拟压下规程( 一) 为采用原压卜+ 规程进行的三组轧制实验。孔型分别采用三 种孔型系统，即a 组：现场原孔型系统，b 组：增大短腿的水平投影长度改变孔型系 统，c 组：减小短腿外弧的半径改变孔型系统。各道次分别取试样，得到三组数据。 表27模拟压下规程( 一) 坯料规格( m m ) 1 9 d 5 2 0适用品种乙3 l o 序号孔号高( m m ) x 宽( m m )压f 鼍 7 m n l ) 04 0 1 0 7 l9 5 0i9 89 29 5 0i9 2 x 4 06 39 5 0 - i i3 4 6 49 5 0 一i i2 6 8 59 5 0 一i t1 9 7 69 5 0 一i i 1 54 3 6 79 5 0 一i i i1 0 6 4 8 88 0 0 一i7 6 3 根据f 交试验确定的实验方案，制定压下规程，表2 8 表2 一1 1 分别为各组 模拟实验时的压下规程。 1 3 内蒙占科技大学硕十学位论文 表28模拟压下规程( 二) 序号孔号高( m i l l ) 宽( m m )压r 量( m m ) o4 0 1 0 7 l9 5 0l9 8 9 29 5 0 一i9 2 4 06 39 5 0 一i i3 5 5 49 5 0 一i i2 7 8 59 5 0 一i i2 0 7 | j 69 5 0 一i i1 5 4 4 6 79 5 0 一i l l1 0 6 4 8 88 0 0i7 6 3 表2 9模拟压下规程( 三) 序号孔号高( i n m ) 宽( m m )压下量( m i l l ) 04 0 x 1 0 7 l9 5 0 一i9 8 9 29 5 0 一i9 2 x4 06 39 5 0 一i i3 3 5 49 5 0 一i i2 5 8 9 5 0 一i i1 8 8 69 5 0 一i i1 5 4 x26 79 5 0 一i i i1 0 6 4 8 88 0 0 - i7 6 4 内蒙占科技大学硕十学位论文 表2 1 0模拟压下规程( 四) 【序号孔号高