大圆钢轧制三维塑性变形有限元模拟

大圆钢轧制三维塑性变形有限元模拟

文／张焰白亚斌

【摘要】

使用ANSYS/LS-DYNA通用有限元分析软件对大圆钢轧制过程进行了模拟仿真，得到了采用单

圆弧成品前椭圆孔型的大圆钢轧制的等效应力场、等效应变场，分析了轧件横截面的等效应变和等效应力分布情况。成品前孔型改为双圆弧椭圆孔型后重新模拟轧制过程，把模拟结果进行比较，得出采用双圆弧成品前椭圆孔型有利于改善成品道次的应力、应变分布。

【关键词】双圆弧椭圆孔型ANSYS/LSDYNA

1有限元模型的建立

2模拟结果的分析

2.1采用单圆弧成品前椭圆孔型压下的结果

轧件在原始阶段、第一机架咬入阶段、第二机架咬入阶段的网格变形情况见图4。在稳定轧制阶段不同视角的等效应力和等效应变的分布图见图5。

1.1单圆弧成品前椭圆孔型有限元模型建立

本次模拟采用的钢种为GCr15，成品规格Φ150mm，热尺寸为

Φ152mm，坯料尺寸为Φ182mm。两道次的孔型结构如图1所示，这两个孔型只是孔型系统的一部分。相关轧制工艺设备参数见表1。

a)原始阶段；

(a)单圆弧椭圆孔型

图1圆钢轧制两道次孔型

b)第一机架咬入阶段；

图4

c)第二机架咬入阶段

(b)圆孔型

两机架轧制不同阶段的变形情况

图4为轧件在原始阶段、第一机架咬入阶段、第二机架咬入阶段时网格变形情况。轧件被椭圆形孔型咬入时，轧件的顶部首先和轧辊进行接触而发生变形，轧件的侧面最后和轧辊接触。变形后的网格与变形前相比在高度方向被压缩，在轧制方向被拉伸，从而使轧件变长。在两个机架咬入时，轧件侧表面金属在轧制方向上流动速度大于心部的节点流动速度。轧件侧表面在轧制方向延伸较大，轧件心部在轧制方向延伸较小，从而使轧件头部中心向内凹。模拟结果中的这种轧件在孔型中的流动特征与实际轧制情况下轧件在孔型中的流动特性相吻合，说明利用ANSYS/LS-DYNA对大圆钢轧制过程进行模拟仿真分析是可行的。

首先在ANSYS的前处理器中定义单元和材料特性，坯料采用

SOLID164单元，轧辊采用SHELL163单元。假设轧制过程温度恒为一定值，然后确定材料特性，其中包括密度、杨氏模量、屈服强度、泊松比和切线模数等。由于坯料具有对称性，为了减少计算时间和节省存储空间，取1/4轧件建立有限元模型。考虑到坯料在孔型中发生连轧，给定坯料长度为800mm，同时轧辊间距取750mm。轧辊为刚性接触体定义，轧辊与坯料之间的摩擦采用库仑摩擦模型，坯料与椭圆孔和圆孔的动态摩擦系数均取0.28，坯料与两个轧辊的静态摩擦系数都设定为0.35。给定坯料一定的初始速度，轧辊与坯料接触后，摩擦力使坯料完成整个轧制过程。在ANSYS前处理器中建立几何模型并划分网格。坯料在长度方向取100等份，在横截面上划分254个单元，这样轧件的有限元模型共采用了25400个单元和28785个节点。椭圆孔和圆孔在圆周上划分120份，在孔型线上划分为15份。建立的有限元模型如图2所示。

a)为从模型的右向观察到的等效应力图

图5

b)从模型的右向观察到的等效应变图

轧件在轧制稳定阶段下增量子步为35时的等效应力与等效应变

图5中红色区和橙色区表示的等效应力值为141Mpa和

图2两道次轧制圆钢有限元模型

131Mpa，大于钢的屈服强度130Mpa，表明钢在这些区域处于塑性变形的状态。在咬入时，钢的等效应力逐步变大，一直增大到塑性变形状态时的屈服应力值。随着钢的咬入，轧件的等效应变也逐步增大，与孔型内圆角接触部位的等效应变大于其他部位的等效应变值。

为了更好地分析钢在轧制过程中的等效应力和等效应变分布，取第一道次轧件横截面和第二道次轧件横截面。横截面上等效应力和等效应变的分布分别如图6和图7所示。

1.2双圆弧成品前椭圆孔型有限元模型建立

大圆钢成品前椭圆轧件断面轴比与小规格圆钢相比较小，采用双圆弧成品前椭圆孔型比单圆弧椭圆孔型能够更好的满足这一要求。因此，将成品前椭圆孔孔型由原来的单圆弧椭圆孔型改为双圆弧椭圆孔型，此时孔型图如图3所示。

图3双圆弧椭圆孔型(a)等效应力图

图6

(b)等效应变图

第一道次轧件横截面上等效应力和等效应变

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在图8和图9可见，截面上的等效应变和等效应力的分布在孔型改变前后的情况发生变化。第一道次中，轧件处于塑性变形状态的区域增大，这说明双圆弧椭圆孔型改善了应力、应变分布，对应力、应变集中程度有减小作用。在第二道次中，与经过单圆弧孔型轧制的成品轧件相比，采用双圆弧成品前椭圆孔型的成品整个截面内应力、应变分布更加均匀，等效应力为137Mpa，且轧件表面在变形区的等效应力区明显扩大约1倍，这表明轧件在轧槽底部对应变形区的应力、应变集中程度明显改善。此时，轧件的等效应变达到0.96，

(a)等效应力图

图7

(b)等效应变图

第二道次变形程度小于采用单圆弧成品前椭圆孔型。说明双圆弧成品前椭圆孔型使椭圆轧件断面轴比较小，椭圆较钝，成品孔道次分配压下量小，这很大程度改善成品孔轧槽的不均匀磨损，提高轧槽寿命，对提高成品的表面质量和尺寸精度非常有利。

第二道次轧件横截面上等效应力和等效应变

由图6和图7可知，在第一道次，轧件横截面表面的等效应力和等效应变值明显比其他位置大，大部分区域都已经进入了塑性变形区域，并在平辊轧槽底部对应较小区域出现应力集中分布，等效应力值达到139Mpa，等效应变值为0.75。在第二个道次中，轧件的等效应力红橙色区域范围变大，立辊轧槽底部对应区域等效应力值增大到150Mpa，等效应变值达到0.98，表明轧件在该区域受到大的集中应力，产生大的应变，容易产生裂纹等缺陷。这说明采用单圆弧成品前椭圆孔型，获得的椭圆轧件断面轴比较大，椭圆较尖，使成品道次在轧槽底部对应较小区域有大的应力、应变集中分布。

3结论

1）用ANSYSY/LS-DYNA模拟出了大圆坯在椭圆-圆孔型中的轧制过程，模拟结果中的轧件在孔型中的流动特征与实际轧制情况下轧件在孔型中的流动特性相吻合，说明利用ANSYS/LS-DYNA对金属连轧过程进行模拟仿真分析是可行的。

2）与单圆弧椭圆孔型相比，大圆钢采用双圆弧成品前椭圆孔型可以使椭圆轧件轴比较小，改善了应力、应变分布，减小了应力、应变集中程度，变形较均匀。

2.2采用双圆弧成品前椭圆孔型的结果与单圆弧椭圆孔型对比采用双圆弧成品前椭圆孔型后重新模拟，并得出了模拟结果。图8、图9分别为孔型参数改变前后在第一、二道次轧件横截面上等效应力图和等效应变图。

3）与单圆弧椭圆孔型相比，大圆钢采用双圆弧成品前椭圆孔型的轧件在成品道次压下量不至于过大，且变形均匀，提高了成品的表面质量和尺寸精度，改善了轧槽不均匀磨损，提高轧辊寿命。

参考文献

[1]赵松筠，唐文林.型钢孔型设计.北京：冶金工业出版社，1993：210~215

[2]洪慧平，康永林，冯长桃等.椭-圆孔型连轧大圆钢三维热力耦合弹塑性有限元分析.特殊钢，2002，23(5)：5～8

(作者单位系中冶赛迪工程技术股份有限公司)

(a)等效应力图

图8

(b)等效应变图

第一道次轧件横截面上等效应力和等效应变

(a)等效应力图(b)等效应变图

图9第二道次轧件横截面上等效应力和等效应变

(上接76页)

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!运行情况的化学监督与判断，必须综合分析、突出重点影响因素，在实践中总结出各监督指标的安全波动范围。

剂的复合配方可发挥出除垢和防腐的综合作用，由于协同或增效作用，它比单一药剂的单一作用，效果更显著，这也是缓蚀剂的发展趋势。

5结束语

通过对循环水运行状况及其相关指标的化学监督，根据现场实际情况，不断改进处理方法和改善处理效果，从而达到防止和延缓循环冷却水系统中腐蚀、结垢、生物污垢的目的。参考文献

4循环冷却水现场运行情况的化学监督

4.1对凝结器运行情况的化学监督

（1）凝结器附着水垢的判别：汽轮机在同一负荷下,若端差逐渐增大,则说明凝汽器中已附着水垢；若实际真空度低于应有真空度,则说明凝汽器中已附着水垢。

（2）根据换热管管材对循环水运行水质的要求进行化学监督。（3）凝汽器腐蚀、结垢检测：主要是通过安装旁路挂片、小型换热器以及腐蚀、结垢检测仪等，直接观察冷却水系统的腐蚀和结垢情况、生物粘泥形成情况，从而判断已采用的循环水处理方案是否正确。

[1]《热力设备的腐蚀与防护》，王杏卿编，武汉水利电力学院

[2]《腐蚀与防护手册-腐蚀理论?试验及监测分册》，化学工业部化工机械研究院主编，化学工业出版社出版

[3]《精细化工助剂-精细化工产品手册》，周学良主编，化学工业出版社精细化工出版中心出版

4.2现场运行情况的综合判断分析

受现场气候条件、空气质量、补充水的质量和稳定性，以及循环冷却水系统的特性和运行特性等诸多因素的制约，对循环冷却水[4]《300MW基建机组热力系统清洁处理和防腐工作的新工艺》，张振达、张红星等，《中国电力》，（2004年第11期）

(作者单位系郑州市郑东新区热电有限公司)

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