有限元在板材轧制过程中的应用

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1、有限元在板材轧制过程中的应用宝山钢铁集团技术中心阴雪莲焦四海摘要：本为介绍了ABAQUS软件在板材热轧工程中的一些典型应用。分析了钢板加速冷却过程中残余应力的影响因素，阐明了各因素对冷却后板坯温度分布的影响。分析了板材轧制过程的传热状况，给生产设计提供了合理的工艺参数。最后，用有限元方法对MAS轧制过程的厚度分布进行控制分析。关键词：热轧加速冷却有限元计算温度场板形控制11前言1前言金属板带热轧过程是一个非常复杂的弹塑性大变形过程,既有材料非线性、几何非线性,又有边界接触条件非线性变化,因此其变形

2、机理非常复杂,难以用准确的数学关系式来描述。随着板带轧制技术的日益发展,人们对其在成型过程中的变形规律、变形力学的分析越来越重视。有限元技术随着大型有限元模拟软件的日益成熟和完善,已成为一种被广泛应用于板带轧制过程的有效的数值计算方法。ABAQUS软件提供了复杂的非线性分析程序，且拥有功能强大的子程序接口。因此无论是从计算收敛性、精确程度的角度，还是从方便程度的角度，均有较高的优选价值。22板材轧制过程2板材轧制过程的的应用的应用分析2.1钢板加速冷却过程中残余应力分析加速冷却工艺广泛应用于生产高

3、强度、高韧性和具有良好焊接性的钢板，但客户却普遍反映钢板带有一定的残余应力，影响后续加工。这里用有限元方法分析了加速冷却过程中钢板的残余应力，并在其中嵌入了用户子程序，体现了相变对力学性能的影响。2.1.1有限元模型模型中板坯采用了宽度为3.5m的低碳微合金钢，厚度分别为20mm、30mm、40mm和50mm。为节省计算时间并确保计算精度，板坯的长度定为4m，宽度方向按对称面取一半进行分析，如图1所示。材料的力学性能通过软件的用户子程序来实现，考虑到了冷却速度、相变及相变温度的影响。1图1板坯网格

4、划分将冷却过程分为两个阶段，首先从750℃开始进行10s的喷水冷却，然后进行第二个阶段的空冷。对于20mm厚的板坯，水冷的平均冷却速度约为25℃/s，冷却到平均温度500℃截止。在分析切割后钢板的扭曲变形时，用到了ABAQUS中elementremove的功能。作为初步研究，仅计算了切边宽度为500mm的情况。2.1.2分析方案这里研究了板坯不同初始状况对残余应力的影响，板坯的初始状况包括初始温度分布及板坯凸度。初始温度分布包括整体750℃的均匀分布和边部710℃、心部750℃在宽度方向呈抛物线趋

5、势的不均匀分布。板坯凸度是指板坯中部和边部厚度的差值，这里分别研究了凸度为0mm、0.25mm、0.5mm和1mm的情况。在实际生产中，初始温度均匀分布、凸度为0的情况是不可能存在的，模拟这种情况只是作为参照比较的依据。这里主要分析厚度为20mm的板坯，用以阐明初始状况对冷却过程的温度变化、残余应力分布、切割后的板条变形情况的影响。2.1.3计算结果1.初始状况对板坯温度的影响600600Homogeneous500500Inhomogeneous))400400℃℃Center(erPlatet

6、hickness:20mmEdgeut300300Cornerarepm200e200Temperature(T1001000000.20.40.60.81CenterEdgeCornerCrown(mm)Positiona凸度b初始温度度分布800600700500Crownequals0mm,inhomogenuousinitialthermalprofile600)Crownequals1mm,homogeneous℃)400initialthermalprofile500Center℃(C

7、rownequals1mm,inhomogeneousinitialthermalprofileEdgeer400ut300CornerarPlatethickness:20mme300pmeTemperature(T200200100100001525354555CenterEdgeCornerPositionThickness(mm)c厚度d凸度和初始温度分布图2各种因素对水冷后板坯温度的影响图2-a展示了凸度对板坯水冷后典型节点温度的影响。凸度的增加导致了水冷后心部温度较高，而对边部和角部温

8、度影响并不大。2初始温度分布对水冷后板坯典型节点温度的影响如图2-b所示。在心部，温度并没有太大差别，而边部和角部的温度差别则比较大，初始温度分布不均匀的板坯边部和角部温度较低，尤其是在水冷之后。对于初始温度均匀分布的板坯，边部和心部的温差为386℃，角部和心部的温差为424℃；对于初始温度非均匀分布的板坯，温差分别为393℃和429℃。以上的分析表明虽然板坯的初始状态对残余应力的产生有一定影响，但水冷阶段的不均匀冷却才是主要原因。对于厚板，这种水冷的不均匀性要大于薄板。具有不同厚