有限元在板材轧制过程中应用

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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2005-12-7e-Works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。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

2、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。2板材轧制过程的应用分析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

3、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。图1板坯网格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

4、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

5、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a凸度b初始温度度分布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，而对边部和角部温度影响并不大。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

6、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。具有不同厚度、凸度为1mm、初始温度不均匀分布的板坯10s水冷后的温度分布情况如图2-c所示。随着板厚的增加，边部和角部的温度并没有明显的变化，然而心部的温度却从535℃变到了735℃。这种由板坯厚度引起的温差要远远大于由初始温度和凸度引起的温差，将导致板坯中产生较大的残余应力。

7、2.残余应力分布及切割后板条的变形情况板坯沿纵向切割后，断面的残余应力得以释放，板条发生变形，如图3和图4所示。在切割完的0.5m宽的板条上，残余应力从200MPa左右变化到约60MPa，边部和端部的应力值较低。图7展示了切割下来的板条在1方向（宽度方向）的位移。靠近边部的位移值为正，而靠近切割面的位移值为负。两端的正位移值要大于中部的，而两端的负位移值的绝对值要小于中部的，板条的中部向外侧发生弯曲。初始温度分布不均匀的板条变形更大一些。图3切割后板条的残余应力图4切割后板条的变形情况2.2板材轧制过程传热分析在设计轧机前，需要计算在轧制时

8、轧件传递了多少热量给轧辊，这对轧辊的设计有着重要意义。这里，轧制过程每道次的压下率要求都比较大，累积压下率达到了95%，在长度方向上延伸率达到了26倍。图5是轧制前的网格分布，图