邊浪帶材拉伸彎曲矯直有限元模擬曲率分析

李中喜，周存龍，趙培建

（1．太原科技大學(xué) 山西冶金設(shè)備設(shè)計(jì)理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024；2．山東鋼鐵股份有限公司 濟(jì)南分公司，山東 濟(jì)南 250101）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，用戶(hù)對(duì)帶鋼產(chǎn)品的平直度和表面質(zhì)量要求的提高，鋼廠面臨的首要問(wèn)題已從增加帶鋼產(chǎn)量向提高帶鋼質(zhì)量的方向轉(zhuǎn)變［1，2］。由于帶材在軋制過(guò)程中，沿寬度方向的縱向延伸不均勻而使其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)就會(huì)產(chǎn)生三維板形缺陷［3－5］。拉伸彎曲矯直機(jī)主要用來(lái)消除浪形或瓢區(qū)等三維板形缺陷，保證帶材的平直精度［6］。

本文采用有限元軟件ANSYS／LS－DYNA模擬帶有邊浪的帶材拉伸彎曲矯直過(guò)程，研究帶材邊浪處初始曲率的變化及矯直卸載后殘余曲率的分布狀態(tài)。

1 帶鋼拉彎矯直過(guò)程的有限元仿真

1．1 拉彎矯直過(guò)程有限元模型的建立

為簡(jiǎn)化分析，以國(guó)內(nèi)某鋼鐵企業(yè)酸洗線(xiàn)上的拉彎矯直機(jī)矯直段建模，其主要尺寸如圖1所示。

圖1 一彎一矯的輥系簡(jiǎn)圖

帶材尺寸及材料屬性如表1所示。軋件的材質(zhì)選用Q235，單元選用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元Solid164，屬性選用雙線(xiàn)性各向同性材料。帶材是規(guī)則的長(zhǎng)方體，以帶材寬度方向中心線(xiàn)的一側(cè)為對(duì)象建模，軋件尺寸為5 400mm×700mm×3mm，單元尺寸為15mm×10 mm×0．75mm，共計(jì)100 800個(gè)單元。

表1 帶材尺寸及材料屬性

1．2 邊浪帶材模型的制作

為模擬帶鋼邊浪的產(chǎn)生，在矯直段前面放置一個(gè)帶凸臺(tái)的輥（三維形狀見(jiàn)圖2），帶鋼穿過(guò)其身時(shí)，沿寬度方向的縱向纖維得到不同延伸而產(chǎn)生邊浪。

1．3 約束和加載條件

通過(guò)節(jié)點(diǎn)組件的方式約束對(duì)稱(chēng)面Y向平動(dòng)。軋件與輥?zhàn)娱g采用面面接觸，靜摩擦系數(shù)設(shè)定為0．1，動(dòng)摩擦系數(shù)設(shè)定為0．05。矯直速度為500mm／s，對(duì)帶材X向施加張力為為屈服極限），彎曲輥壓下量為21mm。

2 計(jì)算結(jié)果分析

為了了解帶材邊浪處曲率的分布情況，選取帶材上表面由邊部到中心的4條長(zhǎng)度方向路徑A、B、C和D為研究對(duì)象，如圖3所示。

圖3中路徑A距帶材最邊部有一定的距離，帶材最邊部的應(yīng)力分布狀態(tài)不作為分析對(duì)象，這是因?yàn)樽钸叢康木ЯＪ芰顟B(tài)為平面應(yīng)力狀態(tài)，靠里邊才是三維應(yīng)力狀態(tài)。

圖2 凸起的導(dǎo)向輥

圖3 帶材邊浪處應(yīng)力分析路徑的位置

2．1 帶材邊浪處初始曲率分布狀態(tài)

圖4為帶材表面路徑A、B、C和D沿長(zhǎng)度方向上的初始曲率分布狀態(tài)。從圖4中可知，邊部彎曲程度最大，從邊部到中心，彎曲程度逐漸減小。這是由于1＃凸輥的壓下，邊部受到的壓力最大，則帶材的邊部變形最大，產(chǎn)生的浪彎曲率也最大。由邊部到中心，變形程度逐漸減小，產(chǎn)生的浪彎曲線(xiàn)也趨于平緩。這與帶材的邊浪缺陷相一致［7，8］。

圖4 邊浪初始曲率

2．2 拉伸卸載后帶材邊浪處殘余曲率分布

圖5為拉伸卸載后，帶材表面路徑上殘余曲率分布。從圖5中可以看出，經(jīng)過(guò)拉伸卸載后，不同路徑上殘余曲率分布很不相同，雖然殘余曲率與初始曲率相比有所改善，但是改善程度很小。這是由于帶材初始曲率不同，同時(shí)受到相同張力作用，使得帶材邊浪處出現(xiàn)減薄現(xiàn)象造成變形過(guò)大，使得殘余應(yīng)力較高，造成殘余曲率也較大。

圖5 張應(yīng)力為拉伸后不同路徑上的殘余曲率

2．3 彎曲卸載后帶材邊浪處殘余曲率分布

圖6為壓下量為21mm彎曲卸載后帶材表面路徑上殘余曲率分布。從圖6中可以看出，經(jīng)過(guò)彎曲卸載后，不同路徑上帶材的殘余曲率分布變化趨勢(shì)有很大的改善，路徑D的殘余曲率相對(duì)小一些，這說(shuō)明越靠近中心殘余曲率越小。這是由于帶材邊部初始曲率大，而邊部與彎曲輥接觸較小，因此從邊部到中心受到的壓力增大，塑性變形也增大，殘余應(yīng)力也就越小，帶材的曲率也就越小。

圖6 壓下量為21mm彎曲后不同路徑上的殘余曲率

2．4 拉彎卸載后帶材邊浪處殘余曲率分布

圖7 張應(yīng)力為、壓下量為21mm拉彎后不同路徑上的殘余曲率

圖8為邊浪帶材經(jīng)過(guò)拉伸、彎曲和拉彎卸載后，路徑A殘余曲率的比較。從圖8中可以更好地看出，比較拉伸、彎曲和拉彎3種矯直工藝，在不改變其他工藝參數(shù)的情況下，經(jīng)過(guò)拉彎卸載后帶材的平直度獲得良好的改善，進(jìn)一步驗(yàn)證拉彎矯直機(jī)能更好地消除板形缺陷、改善帶材的平直度。

3 結(jié)論

（1）由于帶材初始曲率不同，同時(shí)受到相同張力作用，使得帶材邊浪處出現(xiàn)減薄現(xiàn)象造成變形過(guò)大，使得殘余應(yīng)力較高，造成殘余曲率也較大。

（2）帶材從邊部到中心部位與彎曲輥接觸逐漸增大，則從邊部到中心受到的壓力增大，塑性變形也增大，殘余應(yīng)力逐漸越小，帶材的曲率也就越小。

（3）拉伸、彎曲和拉伸彎曲3種矯直工藝中，拉彎矯直機(jī)能更好地消除帶材板形缺陷，改善帶材的平直度。

圖8 拉伸、彎曲和拉彎后殘余曲率比較

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