七輥板帶矯直機矯直過程有限元仿真

七輥板帶矯直機矯直過程有限元仿真

目前，用戶對鋼板的規(guī)格、品種和質量要求越來越高。影響鋼板彎曲后的直度的一個重要因素是鋼板的剩余力。殘余應力的存在會使矯直后的鋼板產(chǎn)生翹曲,這種翹曲有時不是在一開始就出現(xiàn),而是可能在鋼板矯直后的一段時間內才產(chǎn)生,有時甚至在用戶切割鋼板的時候發(fā)生。曾有研究表明,如果矯直后鋼板的殘余應力過大、分布不均,則鋼板可能出現(xiàn)中浪、邊浪、單邊浪等多種不同的彎曲現(xiàn)象,嚴重地影響鋼板的質量。矯直工藝參數(shù)(尤其是多輥不同的壓下參數(shù))對矯直后鋼板的殘余應力影響極大,因此,合理地選擇矯直機工藝參數(shù),確定最佳的壓下規(guī)程,對提高鋼板的矯直質量有著重要的意義。為此,本文以某廠七輥矯直機為研究對象,采用有限元方法對板帶矯直過程進行仿真,定量地研究不同壓下參數(shù)對同一鋼板矯直平直度和殘余應力的影響,提出了最佳壓下規(guī)程并在實際生產(chǎn)中得到合理應用。1矯直機各輥的組合調整七輥板帶矯直機主要由工作輥、支撐輥、主傳動、輥縫調整和凸度調整等系統(tǒng)組成。圖1為矯直機的基本機構。由圖1可看出,工作輥呈上三下四布置,每個工作輥配有12個支撐輥(滾柱軸承)交叉排列。上輥通過4個液壓缸可實現(xiàn)不同的調整方式,即水平調整、傾斜調整、旋轉調整及其組合調整。由于矯直機各輥的調整方式不同,因此可矯直鋼板的范圍比較大,相應地,其工藝參數(shù)的確定也比較復雜。在本文中,上、下各輥的壓下(壓上)量分別以鋼板在輸送輥道上運行時的上(下)表面為基準(見圖2),分別用Δh1,Δh2,…,Δh7等表示。2影響殘余應力與矯直機各輥壓下壓上量的因素鋼板的矯直過程是鋼板在矯直機中一個連續(xù)的正反彎曲的過程。當反彎曲率在數(shù)值上等于彈復曲率時,鋼板得到矯直。鋼板在矯直的過程中發(fā)生彈塑性變形,同時產(chǎn)生殘余應力。而彈塑性變形的大小主要由矯直機各輥的壓下(壓上)量來決定,因此,影響殘余應力與矯直效果的主要因素是矯直機各輥的壓下(壓上)量。矯直機鋼板運動速率為0.66m/s,各輥的轉動角速度為6rad/s,在矯直過程中各矯直輥的位置保持不變。第1組壓下規(guī)程是2008-10-10某熱軋廠現(xiàn)場實測H=19.87mm鋼板的矯直數(shù)據(jù)。為比較各輥壓下量在不同情況下對鋼板矯直后殘余應力的影響,同時為了找到一組所選鋼板矯直效果較理想的壓下規(guī)程,在參考實測H=19.87mm鋼板矯直數(shù)據(jù)的基礎上(由于所選的鋼板與實測鋼板的厚度差別不大),設計了另外4組不同的壓下規(guī)程,如表1所示。3鋼板單元及矯直輥單元的確定采用有限元分析法對鋼板矯直過程進行仿真。被矯直鋼板的材質為HG785,其屈服極限為690MPa,彈性模量為2.09×105MPa,泊松比為0.3。鋼板尺寸為1000mm×2000mm×20mm,長度方向為z,寬度方向為x,厚度方向為y。鋼板和矯直輥單元分別采用8節(jié)點實體單元。采用單點積分以節(jié)省計算時間,鋼板單元采用雙線性隨動強化材料模型,矯直輥選擇只繞自身軸線旋轉的剛性體。因鋼板沿寬向的中心線兩邊對稱,故為減少單元數(shù),仿真以鋼板寬度方向中線的一側為對象建模。鋼板網(wǎng)格劃分為30×30×4,共3600個。在仿真過程中,使用自動生成的PART(部件),矯直輥的旋轉施加在各個矯直輥對應的PART號上,鋼板的速度施加在鋼板的結點上。由于鋼板沿寬向的中心線對稱,故設置中心面上的所有節(jié)點沿寬向的位移約束為0。圖3為矯直模型圖。由圖3可看出,鋼板與各輥的接觸采用自動面接觸方式,動摩擦系數(shù)為0.08,靜摩擦系數(shù)為0.1。4模擬結果與分析4.1鋼板的術后變形圖4為矯直后鋼板的平直效果圖。選取圖5中直線3的結點,作出這些結點y向位移的變化圖,如圖6所示。由圖4可看出,第2組壓下規(guī)程下鋼板的矯直效果最好,其余4組鋼板最終變形都較大,彎曲嚴重。其中,第3、第4組壓下規(guī)程下鋼板的最終變形較類似。這一點可從圖6中表現(xiàn)出來。在圖6中所選直線的結點上,第2組壓下規(guī)程,其y向位移均值為0.027mm,而第1、第3～第5組壓下規(guī)程,y向位移均值分別為50.91、115.81、83.04和16.6mm,并且第2組壓下規(guī)程,其y向位移變化相對于其他4組小而且平穩(wěn)。4.2鋼板殘余應力與壓下章程的關系從理論上來說,矯直的最終目的是要把鋼板完全矯直,并且消除軋件中的殘余應力。但是由于矯直過程的復雜性,在原始殘余應力得到一定消除的同時又會產(chǎn)生新的殘余應力,故最終軋件的殘余應力不會為理想狀態(tài)下的0值。對于不同的壓下規(guī)程,鋼板矯直后的殘余應力是不同的。表2為矯直后鋼板殘余應力最大值(絕對值)的對比。由表2可看出,第2組壓下規(guī)程下鋼板矯直后的殘余應力最大值(絕對值)相比其他幾組的數(shù)據(jù),其值要小很多。以縱向殘余應力最大值為例,第2組壓下規(guī)程中σz比第1組要小86.86%,比第3組要小81.73%,比第4組要小80.13%,比第5組要小85.92%。4.3鋼板縱向殘余應力的分布鋼板在矯直過程中主要變形量集中在板長方向。由表2可看出,在不同的壓下規(guī)程下,鋼板矯直后應力最大值基本上集中在z向,即板長方向,這與傳統(tǒng)理論分析的矯直變形是一致的,其次為x向,即板寬方向。在矯直過程中,首先要考慮的就是保證長度方向的平直度。為了更進一步分析其板長方向,即縱向殘余應力的變化,選取圖5中3條直線上的結點,作出這些結點上的σz分布圖,如圖7～圖9所示。由上述5組壓下規(guī)程下鋼板所選第1、第2條直線上的縱向殘余應力分布可看出,不論在哪組壓下規(guī)程下,縱向殘余應力在鋼板的邊緣部分波動最大,發(fā)生應力突變,不利于提高鋼板的質量。為此,鋼板經(jīng)過矯直后,其邊緣部分應該切除。切除邊緣寬度為30mm,鋼板其他地方的應力變化比較集中,具體情況如表3所示。由表3可看出,縱向殘余應力最小的是第2組壓下規(guī)程。同一組壓下規(guī)程下,直線1上的結點應力變化比直線2要劇烈;直線1上結點的應力值要比直線2上的結點大很多。由圖9可看出,縱向應力分布沿鋼板的長度方向變化波動較大。第1、第3～第5組壓下規(guī)程下的應力波動趨勢基本上相同。從鋼板的頭部開始,第1、第3～第5組壓下規(guī)程下,縱向殘余應力值都是增大之后再有波動,而且應力波動趨勢也基本上相同。而第2組壓下規(guī)程下,應力值先減小再波動,應力波動趨勢也與其他4種不同。由此可知,對某組壓下規(guī)程,僅改變其中某一個上輥的壓下量,其長度方向上的縱向殘余應力變化趨勢基本上不變。根據(jù)這一點,就可以預測鋼板長度方向上的縱向殘余應力變化趨勢。綜合分析后可知,對于所選規(guī)格的鋼板,不論從矯直后的平直效果,還是從矯直后的殘余應力最大值,還是從矯直后的縱向殘余應力分布來看,第2組壓下規(guī)程相比其他幾組壓下規(guī)程都是最優(yōu)的。因此,對于該規(guī)格的鋼板,可以使用該組壓下規(guī)程。5鋼板殘余應力的分布(1)對鋼板在不同壓下規(guī)程下的矯直過程進行了仿真,找到了一種使矯直后板形好且殘余應力小的壓下規(guī)程。(2)仿真結果表明,對某組壓下規(guī)程,僅改