武钢轧板厂七辊强力矫直机强度校核_图文

1、摘 要辊式矫直机是目前应用范围最广的矫直机。其理论基础是金属材料在较大弹塑性弯曲条件下，不管其原始弯曲程度有多大差别，在弹复后所残留的弯曲程度差别会显著减小，甚至会趋于一致，从而达到矫直目的。目前市场对高强度板材需求激增，经济效益潜力巨大。针对武钢轧板厂矫直机经常发生连接轴断裂的事故，严重影响生产效率和效益的情况，本文以该七辊强力矫直机为研究对象，建立辊式矫直机的有限元模型，对其矫直过程进行动态有限元仿真。通过查看仿真结果，比较与理论计算、实测数据之间的差异，确定连接轴断裂的原因，为现场的改进提供一定的指导意义。关键词： 辊式矫直机； 有限元； 矫直力； 扭矩AbstractRoller le

2、veling is the leveler most widely usedThe theoretical basis of the metal material in large plastic bending conditions, regardless of its original bending extent of the difference in elastic recovery after bending of the residual differences is significantly reduced, even in line to achieve the purpo

3、se of straightening At present the demand of high strength steel plate is sharply increasing in the market. Economic efficiency has great potentialThe fracture of the copular axle of the roller lever seriously affects the productivity and effectiveness, this paper uses the finite element model to st

4、udies the process of straightening.By researching the results of FEM, to find the differences of theoretical calculation and measured data, and determine the reason of the Copular axles fracture. This will do help to the improvements.Key words: Roller lever; FEM; Straightening force; Torque moment目

5、录1 中厚板矫直机的发展情况 11.1 中厚板的应用 11.2 中厚板矫直机在实际生产中的作用 11.3 我国及世界中厚板矫直机的发展情况 21.4 中厚板矫直机的发展趋势 42 中厚板矫直力的计算模型 52.1 辊式矫直机 52.2 弹塑性变形 52.2.1 弹塑性弯曲的变形过程 52.2.2 弹塑性弯曲的曲率变化 62.3 辊式矫直机的矫直原理 72.4 辊式矫直机的力能参数 92.4.1 矫直力 92.4.2 矫直力矩的计算 93 武钢中厚板矫直机的设备参数 114 用有限元程序模拟矫直过程 124.1 矫直机有限元分析研究现状 124.2 ANSYS/LS-DYNA软件介绍 124.2

6、.1 ANSYS 124.2.2 LS-DYNA 134.3 研究内容 134.4 矫直机有限元模型 144.5 矫直过程有限元仿真 154.5.1 选择单元类型 154.5.2 定义材料属性 154.5.3 创建几何模型 164.5.4 网格划分 174.5.5 定义接触 174.5.6 载荷、边界条件 184.5.7 求解过程及求解 195 实测数据、理论计算与有限元模拟结果 205.1 现场实测数据 205.2 理论计算结果 205.3 有限元模拟结果 215.3.1 矫直力 215.3.2 扭矩 215.4 比较 246 论文总结 256.1 结论 256.2 展望 25参考文献 27

7、致 谢 281 中厚板矫直机的发展情况1.1 中厚板的应用 中厚板是国民经济发展中的重要钢铁材料，一般将厚度4mm以上的钢板材称为中厚板，主要应用于建筑工程、机械制造、容器制造、造船、桥梁建造等。还可以用来制造各种容器、炉壳、炉板、桥梁及汽车静钢钢板、低合金钢钢板、造般钢板、锅炉钢板、压力容器钢板、花纹钢板、汽车大梁钢板、拖拉机某些零件及焊接构件等。桥梁用钢板：用于大型铁路桥梁。要求承受动载荷、冲击、震动、耐蚀等，如：Q235q、Q345q等。 造船钢板：用于制造海洋及内河船舶船体。要求强度高、塑性、韧性、冷弯性能、焊接性能、耐蚀性能都好。 如：A32、D32、A36、D36等。 锅炉钢板（锅

8、炉板）：用于制造各种锅炉及重要附件，由于锅炉钢板处于中温（350°C以下）高压状态下工作，除承受较高压力外，还受到冲击、疲劳载荷及水和气腐蚀，要求保证一定强度，还要有良好的焊接及冷弯性能，如：Q245R等。 压力容器用钢板：主要用于制造石油、化工气体分离和气体储运的压力容器和其它类似设备，一般工作压力在常压到320kg/cm2甚至到630kg/cm2，温度在-20-450°C范围内工作，要求容器钢板除具有一定强度和良好塑性和韧性外，还必须有较好冷弯和焊接性能，如：Q245R 、Q345R、14Cr1MoR、15CrMoR等。 汽车大梁钢：用于制造汽车大梁（纵梁、横梁），用厚

9、度为2.5-12.0mm的低合金热轧钢板。由于汽车大梁形状复杂，除要求较高强度和冷弯性能外，还要求冲压性能好。1.2 中厚板矫直机在实际生产中的作用轧件在轧制、锻造、挤压、拉拔、运输、冷却及各种加工过程中常因外力作用、温度变化及内力消长而发生弯曲或扭曲变形，在长度远远大于宽度或厚度的轧件上，纵向纤维的变形十分明显；在宽度不太小的轧件上(如带钢横向纤维的变形有时也显而易见，为了获得平直的成品轧件必须使其纵向纤维或纵向截面由曲变直，横向纤维或横向截面也由曲变直，矫直机可以实现这一目标。钢板在轧制、冷却、剪切过程中，因为各种因素的影响，往往会产生各种形状缺陷，会降低使用以及在加工时的性能，所以矫直是

10、确保中厚板生产合乎平直度标准要求的一道必不可缺的重要工序。 各种缺陷如下图所示：图 1.1 板材的各种缺陷(a纵向弯曲 (b横向弯曲 (c边缘浪形 (d中间瓢曲现代中厚板厂一般装备2台以上的矫直机，按照被矫直钢板的温度和厚度作合理的分工：热矫直机一般布置在冷床之前，被矫钢板的厚度范围大，其矫直质量影响到产品质量，并为下工序剪切过程提供板形上的保证；冷矫直机的位置相对灵活些有的布置在精整区域内，或在线，或离线，有的则布置在热处理线后，冷矫钢板相对较薄些。随着控轧控冷技术(TMCP在厚板生产中的应用，钢板强度有了很大提高，为满足强冷后高强度钢板的低温矫直以及用户对产品的高平直度要求，一方面需保证矫

11、直机有宽的矫直范围，另一方面要求矫后钢板的平直度良好且残余内应力最小，对矫直机的性能提出了更高的要求，其应用也越来越广泛。1.3 我国及世界中厚板矫直机的发展情况国外很早就开始研究矫直技术了，英国在1905年制造的辊式板材矫直机大概是最早的1台矫直机，20世纪初已经有矫直圆材的二辊式矫直机，到1914年英国发明了212型五辊式矫直机，解决了钢管矫直问题，同时提高了棒材矫直速度。20世纪20年代日本已能制造多斜辊矫直机，20世纪30年代中期发明了222型六辊式矫直机，显著的提高了管材矫直质量。进入20世纪40年代以后，随着管材旋转矫直理论的迅速发展，其他矫直理论也相继被提出，并很快以其自身的优点

12、得到了推广应用。例如转鼓式矫直法改变了以往旋转工件的固定思维模式，并提出了转鼓旋转的新方案；拉伸矫直法则以使轧材产生拉伸变形达到使其各条纵向纤维的弹复能力趋于一致，而不再拘泥于弯曲变形的方法；拉弯矫直法是在综合拉伸和反弯的各自优点的基础上发展起来的一种新方法。20世纪60年代中期，为了解决大直径管材的矫直问题，美国萨顿公司研制成功313型七辊式矫直机。到20世纪70年代中期， 日本开发研制了液压拉弯矫直法。提出了以液膜支承代替支承辊的新思路，由此得到的矫直机明显减少工作部分直径，使拉弯矫直技术趋向完善。同时多重辊的安排也被溶入到改进矫直技术当中来。到了20世纪80年代，国外许多发达国家的技术力

13、量已相当雄厚，矫直技术得到了不断地改进、发展和扩充。矫直概念则由原来狭义的弯曲矫直扩展为包括解决弯曲、控制断面形状和尺寸精度的矫直。由此，又提出了保持尺寸精度的矫直法、拉扭矫直法、振动矫直法、整形矫直法、连铸坯的矫直法、大尺寸轧材的高温矫直法、行星矫直法、变断面材料的矫直法及轧拉矫直法等许多方法。近几年国外关于矫直技术和矫直机的研究主要集中在提高矫直精度，提高控制水平及改善环境方面。同时，为提高矫直精度和控制水平，开展了对变形机理、改进工艺和参数优化等方面的理论研究，取得了一些具有实用价值的成果。前东德的学者 W.Guericke 还提出了影响矫直质量的决定因素。最近以来，国外学者对矫直过程的

14、计算机实时控制研究比较多，如David Hard等对扭转变形矫直过程的实时控制的研究以及 Juen.A.Robert对圆盘锯片矫直过程实现自动控制的研究。我国的矫直技术研究起步较晚，新中国成立以前我国引进了一些德国、英国和日本等国家制造的矫直机。建国以后，苏联的矫直机大量的进入中国，同时世界上随着电子技术及计算机技术的发展，工业进步速度加快，矫直机的品种规格结构及控制系统都得到了不断的发展与完善。20世纪70年代我国改革开放以后接触到大量的国外设计研制成果，有小到0.16咖金属丝矫直机和大到600mm的管材矫直机。有速度达到300mmin的高速矫直机和精度达到0.038mmm的高精度矫直机。同

15、时也引进了许多先进的矫直设备，如英国的布朗克斯(BRONX矫直机，德国的凯瑟琳(Kieserling矫直机，德马克(Demag连续拉弯矫直机及高精度压力矫直机，F1本的薄板矫直机等。值得自豪的是我国科技界一直在努力提高自己的科研设计和创新能力。从20世纪50年代就有刘天明提出的双曲线辊形设计的精确计算法及文献提出的矫直曲率方程式。6080年代在辊形理论方面有许多学者进行了深入的研究并取得了十分可喜的成果，还召开了全国性的辊形理论讨论会，产生了等曲率反弯辊形计算法，与此同时，以西安重型机械研究所为代表的科研单位和以太原重型机器厂为代表的设计制造部门完成了大量的矫直机设计研制工作，不仅为我国生产提

16、供了设备保证，还培养了一大批设计研究人员。到了80年代，国内对矫直技术的研究已有了相当的成果在转毂矫直技术上迈出了一步，创造了中国首创的双向旋转矫直法，使得矫直中的塑性变形既充分又均匀，具有很大的优越性。1982年，太原重型机器厂成功研制出一台十七辊2800变断面矫直机，其中采用了计算机控制矫直辊开口度的变化，矫直的全过程由DJS-130计算机实现自动化控制。在压下量的控制中采用电液伺服系统，可达到的控制精度为00.025mm。国内对矫直理论与参数计算作系统全面的研究始于八十年代中后期。其中，东北大学的崔甫教授对有关矫直技术理论的研究作了大量的工作，著写了国内首本详细阐述有关矫直理论的书籍，研

17、制出了矫直F200复合转鼓式高精度棒材矫直机，并首先提出了双交错辊系的新方法。矫直理论研究的发展，促进了矫直机制造水平的提高。由西安重型机械研究所设计、国营江山机器厂制造的GBJ型高精度棒材矫直机，解决了矫直领域的一大难题一棒材的“鹅头弯”的矫直问题，经冶金部和机电部专家联合鉴定，具有国际先进水平另一型号GGJ高精度铜管矫直机，其矫直精度达到了0.080.25，已超过了美国AETNA公司所保证的0.3的直线度，而且实现了全线的自动化。所有这些表明，我国的矫直理论研究已有了很大的发展。1.4 中厚板矫直机的发展趋势中厚板生产线在线的辊式矫直机以热矫直机数量为多，总的趋势是以发展大矫直力强力四重式

18、矫直机为主，该系列设备总体趋势如下：1、用数字控制系统精确调整上矫直辊位置，并借助自动测厚仪自动控制矫直辊负荷和在线程计算机进行全自动操作。2、高刚度矫直机机座，可满足在大矫直力条件下的使用，变形小，精度高。3、为了提高矫直效果，矫直机出口处的上(或下辊可以单独调整，且在矫直过程也可以进行调整。4、上矫直辊可以横向倾动，能分别调整各段支承辊，以改变矫直辊的挠曲，消除钢板的单侧或者双侧边浪。5、下矫直辊可以沿矫直方向倾斜以调整矫直辊负荷。6、装备液压安全装置和快速松开装置以便在设备过载、卡钢和停电时快速松开矫直辊。7、上、下矫直辊和支承辊分别装在各自的框架上，框架及其辊子可以侧向移动进行快速换辊

19、，实现辊系的线外整备(即拥有两套以上的辊系装备供给套矫直机使用。8、矫直机人口处装有水或压力空气，以清除残留的氧化铁皮。9、在矫直辊人口处安装一弯头压直机，消除头部钢板的上翘；10、为了避免矫直辊辊面的滑伤，辊面应具有定的硬度。对四重辊式矫直机必须保证工作辊和支承辊的辊面硬度有一个差值2 中厚板矫直力的计算模型2.1 辊式矫直机辊式矫直机由上 下两排相互交错排列的矫直辊、机架和传动装置等部件组成 被矫直钢材通过交错排列的矫直辊，经过多次反复弯曲得到矫正。 辊式矫直机是目前应用范围最广的矫直机。它是在压力矫直机的基础上而发的，这个发明创新的理论基础就是金属材料在较大弹塑性弯曲条件下，不管其原始弯

20、曲程度有多大差别在弹复后所残留的弯曲程度差别会显著减小，甚至会趋于一致，从而达到矫直目的。但在实际生产中，轧件的原始曲率不论大小和方向均是不相同的，辊式矫直机是使轧件多次通过交错排列的转动的辊子，利用多次反复弯曲而得到矫直，它是在消除原始曲率不均匀的同时将轧件矫直。辊式矫直机的矫直原理就是使板带材在矫直辊压下力的作用下，进行纯弯曲、发生弹塑性变形，当矫直力消除、板带材弹性回复后，消除了一部分的原始曲率。剩余的曲率则作为下一个矫直辊的原始曲率，经过多个矫直辊的作用，剩余曲率逐步减小、板带材最终趋于平直。2.2 弹塑性变形2.2.1 弹塑性弯曲的变形过程轧件在矫直机上的矫直过程是弯曲变形过程。当轧

21、件的厚度h与矫直轧件时的两个支点间距离t(辊距的比值(ht很小时，可以忽略剪应力的影响，近视的认为矫直轧件时的弯曲是纯弯曲变形。轧件在外力矩M的作用下弯曲变形时，中性层以上的各层纵向纤维产生拉伸变形，中性层以下的各层纤维产生压缩变形。根据外力矩M的大小，轧件的弯曲变形有三种情况：a弹性弯曲的极限状态：在外力矩作用下，轧件表面层应力达到了材料屈服限，应变为，各层纤维都处于弹性变形状态。外力矩去除后在弹性内力矩的作用下，各层纤维的应变将全部弹性恢复。b弹塑性弯曲状态：外力矩继续增大，一部分纤维层产生塑性变形。外力矩越大，塑性变形区由表层向中性层扩展的深度也越大。实验与理论分析表明，弹性弯曲的平断面

22、假设在弹塑性弯曲变形时仍然有效，断面上各层纤维的应变与其至中性层的距离Z成直线关系。外力矩去除后，各层纵向纤维的变形只能部分的恢复，轧件中将产生残余应变和残余应力。C纯塑性弯曲状态：这是外力矩增大至使整个断面上各层纤维的应力都达到屈服极限时的假想状态。此时对理想弹塑性材料，外力矩达到最大值。外力矩去除后，各层纵向纤维的变形只能分的恢复。在矫直过程中，轧件发生弹塑性弯曲变形，这个弹塑性弯曲变形过程分为两个阶段：a在外力矩M作用下弹塑性弯曲阶段；b去除外力矩M后弹塑性恢复阶段。2.2.2 弹塑性弯曲的曲率变化 a）弹塑性弯曲阶段 b）为弹性恢复阶段图 2.1 弹塑性弯曲时的曲率变化 图2.1为弹塑

23、性弯曲时曲率变化示意图。轧件弯曲时的变形过程可以用以下几个曲率变化来说明：(1 原始曲率，轧件在弯曲变形之前的曲率称为原始曲率，用表示。r0是轧件的原始曲率半径。曲率的方向用正、负号表示。+表示弯曲凸度向上的曲率；一表示弯曲凸度向下的曲率。=0，时，表示轧件原始状态是平直。(2 反弯曲率，在外力矩M的作用下，将原始曲率为的轧件向反方向弯曲后，轧件所具有的曲率称为反弯曲率。反弯曲率的选择是决定轧件能否矫直的关键因素。轧件矫直的实质就是要选择“适量的"反弯曲率，以便使轧件在外力矩M消除后，经过弹性恢复而变直(即=1。在辊式矫直机上，反弯曲率是通过矫直机的辊子的压下来获得的。(3 残余曲率

24、，当去除外力矩M后，轧件在弹性内力矩My的作用下，经过弹复后所具有的曲率称为残存曲率。如果轧件得到矫平，则残余曲率等于零，即=0；如果轧件还未矫平，则残余曲率即为下一次的再弯曲时的原始曲率，即 (2.1其中，符号i是指第i次弯曲。(4 弹复曲率，在弹性恢复阶段，轧件弹性恢复的曲率称为弹复曲率，它是反弯曲率与残余曲率的代数筹，即 (2.2显然，当残余曲率等于零时，上面公式为：或 (2.3公式（2.3）表示了矫直轧件的基本原则：要使原始曲率为的轧件(=0 ，必须使反弯曲率在数值上等于弹复曲率(。弹复曲率的数值与轧件的尺寸、材料性质和原始曲率等因素有关。2.3 辊式矫直机的矫直原理 在辊式矫直机上，

25、根据每个辊子使金属产生的变形程度不同，可分为小变形量和大变形量两种矫直方案。(1 小变形矫直方案 小变形量方案。小变形量矫直方案是假设矫直机上排工作辊可以单独调整每个辊子压下量的方案。在这个方案中，进入各个辊子下的轧件经反弯和弹复后，其最大原始曲率要完全消除，这样原来平直部分产生新的弯曲，就作为下一辊的反弯原始曲率，经过反复弯曲后知道轧件矫直。采用这个方案各辊的压下量相对较小，所以消耗的功率小，但是原始曲率消除缓慢，要达到既定的矫直质量就必须增加矫直辊的数量，从而导致矫直机设备结构复杂。2.2 小变形矫直方案矫直时在各个辊子上的金属断面的变形与应力图(2 大变形矫直方案2.3 大变形量矫直时金

26、属断面的变形与应力图大变形量方案。大变形量矫直方案是在第二、第三辊上采用很大的反弯曲率，使轧件的各部分弯曲变形总曲率均达到很大的数值。这样就可以使残余曲率的不均匀性迅速减小，第四辊以后，轧件的反弯曲率逐渐减小，使轧件趋于平直。采用这种方案，可以用较少的辊子获得较好的矫直质量。但是过分增加轧件的变形程度会使对加工硬化明显的材料及大断面系数的轧件增加其内部的残余应力，影响产品质量，而且会加大矫直机的能量消耗。2.4 辊式矫直机的力能参数2.4.1 矫直力(1 矫直辊受力图，如下图所示图 2.4 矫直辊受力图(2 假设条件 a. 前面两次矫直采用大变形矫直方案，即为纯塑性弯曲，M1=0，M2=M3=

27、M4=Msb. 后面四辊对轧件产生纯弹性弯曲，即Mn=0,Mn-1=Mn-2=Mn-3=Mn-4=Mw c. 中间其它辊子施予轧件的弯矩，Mn-5=Mn-6=(3 分别取2-2、3-3、4-4横截面，并应用力矩平衡方程可得:; (2.4其中 t为辊距， 为纯塑性弯曲力矩同理可得:; (2.5其中 为纯弹性弯曲力矩中间矫直辊子压力: (2.6所有矫直辊的总压力: (n>6 (2.72.4.2 矫直力矩的计算 作用在辊子上的矫直力矩可以根据功率相等的原则确立，所有辊子总的矫直扭矩为: (2.8上式表明，要计算矫直扭矩，关键在于确定弯曲力矩和塑性变形曲率。为简化计算有以下几点假设:认为各矫直辊

28、下的弯曲力矩都等于塑性弯曲力矩，即=；认为各矫直辊下的弯曲残余曲率都等于最大残余曲率。最大残余曲率是按照小变形矫直方案的原则求得的，如果采用反弯曲率等于最大残余曲率。矫直原始曲率很大的轧件，则轧件上原来平直的部位，经过同样的反弯曲后产生的残余曲率为最大残余曲率，对于钢板其值为: (2.9因为曲率的方向正负不定，计算矫直力时，应按平均值计算，即 （2.10） 其中，为塑性变形折算系数，在此因钢板产生双向波浪，取=32。3 武钢中厚板矫直机的设备参数武钢轧板厂是由前苏联设计和提供成套设备，于1958年开始动工始建，1966年8月建成投产的。设计产量为56.8万吨/年。1998年12月对四辊轧机及矫

29、直机进行了重建式改造，主要装备水平达到国内一流水平，是我国的重要的中厚板生产基地。其主要设备有三座三段六点东热连续式加热炉，2800轧机一套（立辊轧机、二辊轧机、四辊轧机各一座），矫直、剪切、精整设备齐全，并有国内最先进的热处理设备。主要产品有：造船用结构钢板、桥梁用钢板、锅炉用碳素钢及低合金厚板，压力容器用钢板、优质碳素结构钢板、普通碳素结构钢板和低合金结构钢板，另外还生产各种国防、军工用钢板。同时还是国内新产品的开发基地，在国内中厚板业占有举足轻重的地位。矫直机是SIEMENZ生产的七辊强力矫直机(本身有九个辊，但下排两端是惰性辊没有驱动力，布置在一号冷床后，有两部驱动电机，上排四辊由一部

30、电机传动，下排中间三辊由另一部电机传动。下排辊水平布置，上排辊可整体调整倾斜，以根据不同的钢板特性提高矫直质量。具体矫直参数如表3.1：表 3.1 矫直机参数直要被矫直的钢板 要被的钢板要被矫直的钢板宽度1,200- 2,800 mm 最大厚度8 - 80 mm长度3 - 22 m屈服强度最大 1000 MPa温度200 800 °C主要的驱动电机2 台交流电动机 470 kW / 0/800/1800 rpm矫直速度54 mpm 基本的矫直速度120 mpm 最大的矫直速度接轴通用类型花键型轴套4 用有限元程序模拟矫直过程4.1 矫直机有限元分析研究现状长期以来，压力矫直工艺的实施

31、多由工人凭经验和估计矫直行程，反复测量和试矫。这种做法不仅效率低、劳动强度高，而且不易保证精度，工件的工作性能也受影响。随着自动矫直机的广泛应用，如何准确计算矫直行程显得尤为重要。这是矫直设备向数控化、柔性化、自动化方向发展的关键技术。一些学者从弹塑性力学的理论基础出发，进行一定的假设和简化，推导建立了一些计算矫直行程的数学模型，能够达到一定的计算精度。然而，由于理论计算所作的简化，以及实际情况的复杂性，理论计算的精度受到限制，在一些自动矫直机中，是通过建立零件矫直经验数据库来实现矫直行程的控制。另有一些自动矫直机利用经验公式来计算矫直行程。矫直行程因工件的几何结构、材料性能等因素的不同而不同

32、， 因而不管是经验数据库还是经验公式的建立都比较困难， 适用的工件种类有限，应用范围受到限制。最近几年以来随着计算机技术的发展与应用，以及有限元分析在各行各业中广泛的应用及推广，一些学者应用有限元软件来模拟钢材的轧制过程，也有不少人对矫直机的矫直过程进行有限元分析。包钢无缝钢管厂黄建国建立了钢管矫直的力学模型和有限元仿真分析模型，分析结果与实际矫直效果近似。燕山大学的李学通等人采用弹塑性有限元法建立中厚板矫直过程的二维动态有限元分析模型，并针对某厂1l辊矫直机不同厚度板材、不同矫直方案的矫直过程进行了模拟计算，给出了矫直过程板材应力场、应变场和各矫直辊矫直力的分布。在实际的生产指导中都取得了不

33、错的效果。所以，利用有限元进行矫直过程的模拟可以探求矫直最佳工艺参数，提高生产效率和钢板的质量。4.2 ANSYS/LS-DYNA软件介绍4.2.1 ANSYS 本文的建模过程是使用ANSYS完成的。ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型； 分析计算模块包括结构分析（可

34、进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力； 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。4.2.2 LS-DYNA 在用ANSYS建模

35、后，用LS-DYNA模块进行计算。LS-DYNA 是世界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固体耦合问题。在工程应用领域被广泛认可为最佳的分析软件包。与实验的无数次对比证实了其计算的可靠性。 由J. O. Hallquist主持开发完成的DYNA程序系列被公认为是显式有限元程序的鼻祖和理论先导，是目前所有显式求解程序（包括显式板成型程序）的基础代码。1988年J. O. Hallquist创建LSTC公司，推出LS-DYNA程序系列，并于1997年将LS-D

36、YNA2D、LS-DYNA3D、LS-TOPAZ2D、LS-TOPAZ3D等程序合成一个软件包，称为LS-DYNA。PC版的前后处理采用ETA公司的FEMB，新开发的后处理为LS-POST。LS-DYNA的最新版本是2001年5月推出的960版。 LS-DYNA程序960版是功能齐全的几何非线性（大位移、大转动和大应变）、材料非线性（140多种材料动态模型）和接触非线性（50多种）程序。它以Lagrange算法为主，兼有ALE和Euler算法；以显式求解为主，兼有隐式求解功能；以结构分析为主，兼有热分析、流体-结构耦合功能；以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能（如动力分析前的预应力计算和薄板

37、冲压成型后的回弹计算）；军用和民用相结合的通用结构分析非线性有限元程序。 4.3 研究内容 本节研究的是武钢轧板厂的七辊强力矫直机(下排两端辊为惰性辊，该机可矫直的钢板范围在长(3-22m×宽(1200-2800mm×厚(8-80mm,矫直温度200-800，钢板最大屈服强度为1000MPa，上轧辊的液压系统最大轧制力3100t。然而在实际生产中，矫直时经常出现万向接轴断裂的情况，严重影响了正常的生产。本节主要研究内容:(1对九辊矫直机模型进行合理简化，建立有限元模型，并确定相应的边界条件和初始条件。(2用有限元软件对该七辊矫直机的矫直过程进行动态有限元仿真，得到钢板矫直时

38、的轧制力和扭矩分布图。4.4 矫直机有限元模型矫直机的轧辊参数如表4.1所示:表4.1 轧辊参数矫直辊支撑辊材料经表面淬火的锻钢直径 mm360360数量上4，下5 上 4x4下 3 x 4 (短 + 2 x 3 (长辊身长度mm3200短型号 457 mm，长型号 716 mm间距 mm380380硬度HRC 54-56 大于12 mm 的厚度 HRC 46-48 大于 10 mm 的厚度 图4.1 矫直辊分布在现场采集了两种型号钢板的数据，在建模时也采用这两种钢板，其具体参数如表4.2所示:在矫直时假设矫直辊是刚性的，所以可以不考虑支撑辊，将矫直辊建成空心的，以减少计算量。表 4.2 现场

39、数据钢种Q345B屈服强度 MPa150规格 宽 x厚 x长 mm60 x 2450 x 5400 入口/出口侧辊缝 mm59 / 60入口温度 700电机转速 转/分20.4平均轧制耗时 S144.5 矫直过程有限元仿真本节进行有限元分析的基本过程如下：选择单元类型。定义材料属性。创建几何模型。划分网格。创建PART，定义接触。边界条件、初始条件和载荷。求解过程控制及求解。后处理。4.5.1 选择单元类型本课题选用的单元类型SOLIDl64实体单元。SOLIDl64单元是一种8节点实体单元，有六面体、棱柱体、四面体和金字塔形四种，其中后三种是六面体的单元的退化产物，它们弯曲时经常很僵硬，有些

40、情况还可能产生问题，因此应尽可能避免使用它们。SOLIDl64单元具有两种实体单元算法：一种是单点积分(KEYOPT(1=I，默认值，适用于大变形问题，但易出现沙漏现象，需要沙漏控制；另一种是完全积分(KEYOPT(1=2，无沙漏问题，但求解慢，大约多花4倍的CPU时间。本课题采用单点积分算法，有可能需要进行沙漏控制。本课题模型复杂，单元数多，如果采用全积分算法，计算时间会很长，费时费力，不利于计算，所以不采用。4.5.2 定义材料属性本课题将钢板的材料与矫直辊的材料定义为不一样的材料，钢板将发生弹塑性变形，故钢板材料采用双线性随动强化材料(Bilinear Isotropic；每个矫直辊都有

41、支承辊的作用，其刚度比较大，基本不发生弯曲变形，故将其考虑成刚体，采用专门的刚体材料(Rigid Material 。 对于模型中变形结果不重要的部分可使用刚体，从而节省计算时间。用刚体定义有限元模型中的刚性部分可以大大减少分析的计算时间，这时由于定义一个刚体后，刚性体内的所有的节点的自由度都耦合到刚性体的质心上。因此，不论定义了多少节点，刚性体只有六个自由度。当默认设置时，每个刚体的质量、质心和惯性都由刚性体的体积和单元的密度计算得到。作用在刚性体上的力和力矩由每个时间步的节点力和力矩合成，然后计算刚性体的运动，这样位移就会转换到节点上。成为刚体后需要准确的输入材料特性来计算接触刚度，并且不

42、能在刚体上的节点处施加约束，两个刚体不能有共节点。对刚性体的自由度的约束时也是通过定义材料来决定的，六个自由度的约束包括：沿X、Y、Z方向的位移约束和绕X、Y、Z轴的旋转约束。定义钢板为双线性随动强化材料时输入参数有：密度(DENS、弹性模量(EX、泊松比(NUXY、屈服应力(Yield Stress和切线模量(Tangent Modulus。定义刚性体材料时要输入参数有：密度(DENS、弹性模量(EX、泊松比(NU(Y以及约束的自由度。轧辊及钢板的参数如表4.3所示表 4.3 轧辊及钢板参数轧辊Q345B温度 700密度(DENSm378507850泊松比(0.30.3弹性模量(EX GPa

43、211160屈服应力(sMPa150切线模量(TanMPa15动摩擦系数0.35静摩擦系数0.25 4.5.3 创建几何模型本文采用完整建模，轧辊、钢板与现场数据完全一致。由于轧辊定义是刚性的，故可以对其模型进行简化，用空心薄壁圆筒代替实心的辊子。各辊子的尺寸、辊子之间的间距均按矫直机的实际参数给定。1号和9号辊是惰性辊，本轧机采用的是上排辊整体压下，下排辊不动，所以上排辊是整体倾斜的，而下排辊是水平的。参考图4.1和表4.1、表4.2，可计算出各个轧辊的中心坐标，建立的几何模型图如图4.3所示: 图 4.2 矫直机模型图4.5.4 网格划分对于有限元分析而言，网格密度决定分析结果的质量。一般

44、情况下，网格密度越大，网格越细，计算结果收敛得越好，计算精度越高，但相应的计算时间越长。为了得到比较好的结果，同时计算时间又比较合理，可采用网格相对划分，即在对计算结果影响较大的方向上划分密网格，而在相对不重要的方向上网格较疏。本文中，在钢板的厚度方向和轧辊的圆周方向划分密网格，其余划分稀网格。待矫直钢板的长度方向划分600份，宽度方向划分5，厚度方向划分10份，如图4.3所示；矫直辊长度方向划分5份，圆周方向150份，直径方向1份，划网格后模型图如图4.4所示： 图4.3 待矫直钢板的网格模型图4.4 矫直辊的网格模型4.5.5 定义接触4.5.5.1 partPART是具有相同单元类型、实

45、常数和材料号组成的一个单元集体，PART号是模型中的一个特定部分。在一个PART列表中，PART ID在PART一列中与MAT、TYPE和REAL号相对应给出。本文在定义材料属性时10个材料编号，钢板、上排辊、下排中间三辊和两端的惰性辊各一个，这样方便给辊子施加载荷和定义接触。4.5.5.2 定义接触接触类型主要有：单面接触、节点一表面接触、表面一表面接触三种。单面接触用于物体表面的自身接触或它与另一个物体表面接触，使用单面接触时，程序将自动判定模型中哪处表面发生接触。无需定义Contact和Target表面，当定义好单接触时，它允许一个模型的所有外表面都可能发生接触，这对于预先不知道接触表面

46、的自身接触或大变形问题非常有用。节点一表面接触类型是指节点将穿透Target表面，这种类型接触通常用于两个表面之间的接触，需定义Contact和Target表面。当一个物体的表面穿透另一个物体的表面时需要使用表面一表面接触，表面一表面接触类型最为常用，并且常用于任意形状有相对较大接触面积的物体接触中。这种类型接触对于物体之间有大量相对滑动。本文符合表面一表面接触方式描述的情况，采用表面一表面接触中的自动接触类型Automatic Surface to Surface(ASTS。钢板与辊子之间的静摩擦系数取0.35，动摩擦系数取0.25。在定义接触时还必须指出Contact表面和Target表面

47、，由于钢板发生弹塑性变形，将其定义为Contact表面。辊子为刚性体，将其定义为Target表面。如果要对接触进行进一步的控制，可以通过以下选项进行：(1接触刚度控制；(2接触深度控制；(3壳单元深度的特殊处理；(4接触片节点号顺序的自动定向。大多数情况下，这些控制选项可以采用默认值即可，本文采用默认值。 4.5.6 载荷、边界条件4.5.6.1 加载载荷本模型中要施加的载荷有：施加在钢板上沿X轴正方向的重力载荷和施加在矫直辊上绕自身轴线转动的角速度。由于进行了质量缩放，钢板的密度变为原来100倍，不能将重力加速度直接加在钢板节点组元上。要将钢板的实际重力除以节点数再分别以力的形式加在节点组元

48、中的每个节点上。辊子与钢板接触部分的线速度基本上大小相等、方向相同，故各个辊子的角速度为钢板线速度与各辊子半径的比值，由于钢板是从左向右运动，矫直辊1和9为惰性辊加载速度，让其在摩擦力作用下旋转；上排矫直辊2、4、6、8号辊加载同一正速度；下排矫直辊3、5、7号辊加载同一负速度4.5.6.2 边界条件各个辊子的约束在定义刚体材料时就已经定义了：即各个辊子在X、Y、Z三个方向的位移约束和绕X、Y轴的旋转约束，辊子只绕Z轴转动，其他全部约束。 本模型中的初始条件主要是指钢板的初始速度。钢板经过精轧机后，钢板具有一定的初速度进入矫直机，也是通过钢板的节点组元定义初速度，初速度值由厂方提供。4.5.7

49、 求解过程及求解完成建模、施加约束和载荷、定义初始速度后，在求解之前还需要设置求解过程控制，包括：基本的求解控制，输出文件控制，质量缩放，设定分析选项(CPU控制、沙漏控制、体积粘性控制、自适应网格剖分、能量控制等。基本的求解控制选项包括计算终止时间、壳单元和梁单元输出积分点数、结果输出文件和时间历程输出文件的时间间隔等。在本模型中，计算终止时间就是这块钢板在当前的初速度下完成矫直过程的时间，与钢板的初始位置和初始速度有关。由于没有壳单元和梁单元，壳单元和梁单元输出积分点数不予设置。输出文件控制主要包括二进制输出文件控制、ASCII格式化输出文件两种。二进制输出文件控制与后处理的处理器有关。本

50、文结果输出两种格式，ANSYS和LS-DYNA便于后续的结果查看，其他几项求解控制基本上按照默认值即可。完成上述求解控制后，即可开始求解了。5 实测数据、理论计算与有限元模拟结果 5.1 现场实测数据 表 5.1 现场数据入口传动侧液压机压力 KN2043.6入口操作侧液压机压力 KN2113.6出口传动侧液压机压力 KN1454.6出口操作侧液压机压力 KN1419.8入口侧电机扭矩 N.m1705.9出口侧电机扭矩 N.m1703.3总矫直力=2043.6+2113.6+1454.6+1419.8=7031.6KN总扭矩=1705.9+1703.3=3409.2N.m5.2 理论计算结果

51、根据2.4节的矫直机力能参数理论公式可得一下结果：5.2.1 轧制力=821KN=2611KN=3473KN=3328KN=3328KN=2315KN1736KN=546KN则 总的矫直力为 P=P2+P4+P6+P8 =11003KN5.2.2 矫直力矩=59500N.m 5.3 有限元模拟结果 5.3.1 矫直力 图5.15.2为矫直辊的矫直力分布图：图5.1 19辊的矫直力分布图 图5.2 上排2、4、6、8辊的总矫直力分布图5.3.2 扭矩图5.35.11为矫直辊的扭矩分布图： 图5.3 2号辊的扭矩分布图图5.4 3号辊扭矩分布图 图5.5 4号辊扭矩分布图图5.6 5号辊扭矩分布图

52、图5.7 6号辊扭矩分布图图5.8 7号辊扭矩分布图图 5.9 8号辊扭矩分布图图5.10 19辊扭矩分布综合图图5.11 19辊总的总扭矩分布图5.4 比较现场测得的电机扭矩3409.2N.m，要得到矫直辊的扭矩，需要经过减速比的换算。矫直辊转速n=V*60/D=20.5r/min,则转速比i=1800/20.5=89.6实际扭矩为 3409.2×i=305301N.m表5.2 比较实测数据理论计算模拟结果矫直力 KN7031.6110035873扭矩 N.m30530159000204600(1 从图5.1可测得矫直辊最大矫直力为2220KN(2 从图5.2可测得最大的总矫直力为

53、11760KN(3 从图5.10可测得矫直辊最大扭矩为64570N.m(4 从图5.11可测得最大的总扭矩为204600N.m6 论文总结6.1 结论本文以武钢轧板厂1号冷床后的矫直机为研究对象，建立了该七辊矫直机的参数化有限元模型，对其矫直过程进行有限元仿真，得出以下结论：(1 对于矫直辊可以单独调整的辊式矫直机，合理的矫直参数的确定，对矫直效果有较大的影响。监测结果表明：实际矫直参数与设定矫直参数不一致，实际矫直参数的不合理是造成中厚板出口板型翘曲、达不到矫直质量要求的主要原因。(2 由图5.1和理论计算均可以得出，3号辊的矫直力是最大的。但模拟结果最大为2240KN，理论计算为3473K

54、N，原因是仿真限定的条件较少，而实际情况受力多且复杂。(3 总的最大矫直力，实测结果比模拟结果稍大，主要是因为现场的受力比模拟设定的大的情况多且复杂。(4 由图5.10可以看出，矫直机上最大的扭矩出现在2号辊，即是最易发生传动轴断裂的轴。(5 最大扭矩的实测结果也比模拟的要大，也是考虑到现场情况受力复杂。(6 矫直力的理论模型计算结果比仿真和实际结果都大，原因可能是矫直理论要考虑到各种各样的矫直条件，所以放大了某些参数，算出的是可能出现的最大矫直力，这样在作为选择矫直机时的参数时安全系数较高。 (7 本仿真模型可以建立不同规格钢板的矫直模型，方便的调整矫直参数，完成矫直过程的有限元仿真，并对矫直效果进行分析，对矫直机矫直工艺参数的设定具有重要的指导意义。6.2 展望本文对该矫直机的矫直过程进行了建模仿真，但是由于接触到课题时间比较短和计算机硬件条件的限制，对以下提到的几个方面还需要进一步完善。(1建立矫