宽带钢拉矫过程中带钢变形的有限元分析

宽带钢拉矫过程中带钢变形的有限元分析

1拉矫机带钢延伸率的测定拉桥机是连接钢的最大设备之一。拉矫延伸率是拉矫工艺的三要素之一,板形缺陷矫正、消除材料屈服平台等工艺都对拉矫延伸率有严格要求。拉矫过程中带钢延伸率实测值小于设定值的现象被称为延伸率损失。以往研究中认为这是张紧辊传动链的工作效率和带钢在张紧辊上打滑引起的。但文献中通过对某酸洗拉矫机带钢延伸率的实测发现,即使带钢与张紧辊间未出现打滑,实测延伸率也仅为设定延伸率的80%～85%,因此提出了延伸率设定值补偿法。本文通过对拉矫过程中带钢三维变形的有限元仿真,从带钢的弹塑性变形角度分析延伸率损失现象。2拉矫前后带钢延伸率的测定拉矫机的入口、出口都配备张紧辊组,如图1所示。拉矫机控制方式有延伸率控制和张力控制两种控制方式。绝大多数情况下拉矫机采用延伸率控制方式,即通过设定入口、出口张紧辊组的转速比使带钢经过拉矫后产生设定延伸率。带钢与张紧辊间不发生打滑的情况下,带钢延伸与出口、入口张紧辊实际转速比存在以下关系Srt=ω1−ω0ω0(1)Srt=ω1-ω0ω0(1)式中,Srt为带钢延伸率;ω1为入口张紧辊转速;ω0为出口张紧辊转速。在带钢延伸率的实测中,采用轧制过程中带钢延伸率的测量计算方法,测量带钢同一位置拉矫前后的实际厚度,带钢的实际延伸率则通过下式计算Srt=h0−h1h0(2)Srt=h0-h1h0(2)式中,h0为拉矫前带钢厚度;h1为拉矫后带钢厚度。实测中发现,带钢实测延伸率始终小于设定延伸率,称为延伸率损失。3通过钢拉深三维模型的构建3.1弹塑性变形仿真研究拉矫过程中带钢的弹塑性变形,只需对带钢通过某一组弯曲辊组时的弹塑性变形进行仿真。根据一般拉矫机弯曲辊组结构,可将弯曲辊简化并建立如图2所示的模型,其中R1、R2、R3辊径均为40mm。3.2仿真模型的不同以前对于宽带钢拉矫过程的解析建模研究中将带钢变形简化为平面问题,忽略带钢厚度宽度方向的变形。而在仿真研究中,则都认为宽带钢具有薄壳特性,带钢宽度方向应变为0。因而,采用仿真软件中的壳单元建立带钢模型,不能模拟带钢厚度的变化。以上两种模型显然不适用于延伸率损失问题研究。本文为真实的表征带钢弹塑性变形过程,首次以三维实体单元建立带钢模型,如图2所示。3.3带钢材料模型根据对普通带钢机械性能的试验结果,取三种不同性能的材料模型进行仿真研究,材料应力应变曲线如图3所示。3.4施加位移载荷通过在带钢模型A′截面施加应力载荷模拟带钢张力;通过在带钢模型的C′截面施加相应的位移载荷模拟沿运行方向的位移;在R2上施加位移载荷模拟压弯量。根据带钢尺寸和载荷的对称性,在带钢模型的B′侧纵截面施加对称约束。4在拉紧过程中，钢弹塑料的变形模拟4.1延伸率与弹塑性变形的关系仿真的目的是得出拉矫过程中带钢的延伸率与弹塑性变形的关系,并分析张力、压弯量、带钢材质、规格对上述关系的影响。因此,设计表1所示工况。4.2拉矫延伸率与厚度、宽度方向应变的配比取带钢模型中经过完全拉矫的某一横截面上各个节点的长度、厚度和宽度方向的应变过程数据,如图4所示。显然,拉矫过程中带钢产生长度方向应变的同时,也产生了厚度、宽度方向的应变,其中长度方向应变即为拉矫延伸率。由图4可以发现,带钢三个方向应变代数和约为0,即带钢变形基本遵守体积不变原则。定义厚度、宽度方向应变的绝对值与长度方向应变的百分比为各自对拉矫延伸率的贡献率。公式表达为Kh=(|εh|/εl)×100%(3)Kw=(|εw|/εl)×100%(4)式中,Kh为厚度方向变形对拉矫延伸率的贡献率;Kw为宽度方向变形对拉矫延伸率的贡献率;εl为长度方向应变;εh为厚度方向应变;εw为宽度方向应变。由图5可以发现:在板宽方向上Kh、Kw是变化的,在带钢宽度方向中点有Kh≈80%、Kw≈20%;由中点向边缘Kh逐渐减小,而Kw逐渐增大,并在边部急剧变化,在带钢边缘有Kh=Kw=50%。4.3拉矫过程中kh、kw的变化规律张力、压弯量、带钢的规格和材质是影响拉矫过程中带钢弹塑性变形的重要参数。由图6可以发现,在不同张应力作用下的拉矫过程中,Kh的大小和变化规律基本相同。从图7可以看出,在采用不同压弯量的拉矫过程中,Kh的大小和变化规律基本相同。图8表明,不同厚度的带钢拉矫过程中Kh的大小和变化规律基本相同。图9中,材料的屈服极限越高,Kh越小。图10为带钢模型宽度为80mm时Kh、Kw的仿真结果。与图5相比较,可以发现都是带钢边部30mm处、Kh、Kw开始明显变化,而带钢中部Kh、Kw基本保持不变。由仿真计算结果可以得出结论:(1)在距离带钢边部30mm以内区域,Kh、Kw基本保持不变,始终有Kh>Kw;(2)在带钢边部30mm以外,Kh逐渐减小、Kw逐渐增大,在带钢边缘有Kh≈Kw;(3)Kh、Kw的大小和沿宽度方向的变化规律不受张力、压弯量和带钢规格的影响;(4)材料的屈服极限越高,在带钢中部Kh越小、Kw越大。5拉矫延伸率实测拉矫过程中带钢产生三维弹塑性变形,带钢厚度和宽度方向都产生压缩变形,两者都对长度方向的拉伸变形有贡献。文章中在不卸载张力条件下测得的无法消除的延伸率损失与Kw基本吻合。由于张力引起的带钢长度方向应变小于0.05%,与带钢拉矫延伸率相比可以忽略不计。根据对Kh、Kw的仿真研究结果,延伸率实测中采用公式(2)计算延伸率时,延伸率实测计算值必然小于设定值,可能造成延伸率出现损失的假相。为判断是否真正产生了延伸率损失,根据仿真研究结果提出以下实测延伸率计算修正公式Srt=100(h0−h1)[0.78(210−σs)+84]h0(5)Srt=100(h0-h1)[0.78(210-σs)+84]h0(5)式中,σs为带钢材料屈服极限值,MPa。若采用公式(5)计算所得延伸率小于设定延伸率时,则说明张紧辊打滑或传动链效率问题造成了真正的延伸率损失。6厚度方向的拉伸变形拉矫过程中带钢产生三维弹塑性变形,带钢厚度