基于有限元分析的管材軋制過程質(zhì)量控制研究

沈紅偉

（滄州師范學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，河北 滄州 061001）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程步伐的加快，我國對鋼管等工業(yè)產(chǎn)品的需求逐漸增加。滄州管道裝備的發(fā)展突飛猛進(jìn)，在石油、天然氣等相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，鋼管軋制技術(shù)的設(shè)備和管材的軋制工藝對鋼管的質(zhì)量至關(guān)重要。目前管材的軋制技術(shù)具有尺寸精度高、表面質(zhì)量好、材料利用率高、工藝柔性好、管材力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，軋制過程中，軋制力的大小、軋輥的彈性變形對管材的尺寸精度和軋制的穩(wěn)定性等造成影響。管材減徑是鋼管生產(chǎn)中的精軋工序，其工藝水平的高低直接關(guān)系到成品的質(zhì)量和成材率，研究減徑過程中軋件的內(nèi)部應(yīng)力及應(yīng)變分布規(guī)律，正確選擇軋輥的結(jié)構(gòu)及其軋制力的分布規(guī)律，對于制定合理的軋管工藝具有重要的意義。

隨著滄州市管道裝備的迅猛發(fā)展，鋼管管材的軋制過程質(zhì)量控制對滄州市鋼管企業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。以滄州市某企業(yè)的鋼管減徑軋制過程為例，對管材軋制過程的質(zhì)量控制進(jìn)行有限元分析研究。應(yīng)用SolidWorks 三維建模軟件和Deform有限元分析軟件建立鋼管管材減徑軋制過程的三維軋制模型，建立模型時，要充分考慮所需的建模參數(shù)、邊界條件等因素。對鋼管管材減徑軋制過程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬計(jì)算，設(shè)置模擬的基本計(jì)算參數(shù)，對鋼管和軋輥進(jìn)行網(wǎng)格劃分。通過鋼管管材減徑軋制過程的有限元數(shù)值模擬計(jì)算，研究分析軋制過程中管材的變形規(guī)律，在不同減徑量、減壁量、送進(jìn)量及摩擦系數(shù)等工藝參數(shù)下鋼管管材的應(yīng)力、應(yīng)變的變化規(guī)律，以及軋輥軋制力的變化規(guī)律。最后通過不同工藝參數(shù)下的模擬計(jì)算結(jié)果比較分析，確定最佳工藝參數(shù)。

1 管材軋制的有限元模型建立

以滄州市某企業(yè)的鋼管軋制過程為例，建立鋼管減徑四輥軋制過程的部分研究模型。首先應(yīng)用SolidWorks 三維建模軟件建立鋼管和軋輥的三維模型，保存為STL 文件，導(dǎo)入Deform 有限元模擬軟件中進(jìn)行分析研究，建立模型時，要充分考慮所需的建模參數(shù)、邊界條件等因素。

1.1 Deform 有限元模擬的建模參數(shù)

鋼管減徑的四輥軋制模型在建模時要設(shè)置好各個建模參數(shù)，為后續(xù)有限元模擬奠定基礎(chǔ)，如表1 所示。

表1 鋼管和軋輥的建模參數(shù)

1.2 Deform 有限元模擬的假設(shè)條件和邊界條件

1.2.1 模型的基本假設(shè)條件

模型在模擬計(jì)算時，要考慮鋼管管材軋制過程中的復(fù)雜性和條件的局限性，對軋制過程進(jìn)行一定的合理化假設(shè)：忽略軋制過程中軋輥產(chǎn)生的彈性變形，假設(shè)軋輥為剛體；軋輥與鋼管之間的摩擦符合庫侖摩擦定律；假設(shè)軋輥在軋制過程中溫度不變，鋼管的溫度各部分都相同；取鋼管和軋輥接觸的二分之一為模擬研究對象。

1.2.2 模型的邊界條件

有限元模型的邊界條件設(shè)置如表1 所示，包含了有限元模擬中的各個物理量，如鋼管的密度、彈性模量、屈服應(yīng)力、塑性強(qiáng)化模量、泊松比、摩擦系數(shù)等，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際的軋制條件，選取鋼管的速度為0.5m/s，軋輥和鋼管的溫度保持不變，且鋼管的各部位溫度相同，設(shè)定鋼管的溫度場為650℃。

2 管材軋制的有限元數(shù)值模擬

對鋼管管材減徑軋制過程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，該模擬模型為四輥軋制模型，兩個水平軋輥和兩個立軋輥，模擬時選擇其中的一個水平軋輥和一個立軋輥?zhàn)鳛槟M研究模型進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 網(wǎng)格劃分

在Deform 軟件中利用網(wǎng)格劃分工具對鋼管進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1 所示，左邊是鋼管的三維有限元模型，右邊是對整個鋼管的網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格總數(shù)為1440 個有限單元。

圖1 鋼管管材的網(wǎng)格劃分

在Deform 軟件中利用網(wǎng)格劃分工具對兩個軋輥分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2 所示，左邊是兩個軋輥及鋼管的三維有限元模型，右邊是對兩個軋輥及鋼管的網(wǎng)格劃分，水平軋輥的劃分網(wǎng)格總數(shù)為1632 個有限單元，立軋輥的劃分網(wǎng)格總數(shù)為2200 個有限單元。

圖2 兩個軋輥的網(wǎng)格劃分

2.2 有限元數(shù)值模擬

在Deform 軟件中對鋼管管材的軋制過程設(shè)置有限元模擬參數(shù)，如圖3 所示，設(shè)置鋼管、水平軋輥和立軋輥的運(yùn)動參數(shù)，設(shè)置軋制過程的模擬控制參數(shù)等。

圖3 有限元模擬參數(shù)設(shè)置

完成模擬參數(shù)設(shè)置之后進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測并生成，然后運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬計(jì)算，如圖4 所示。

圖4 有限元數(shù)值模擬計(jì)算

3 管材軋制的模擬計(jì)算結(jié)果分析

通過鋼管管材減徑軋制過程的有限元數(shù)值模擬計(jì)算，對不同減徑量、減壁量、送進(jìn)量及摩擦系數(shù)等工藝參數(shù)下鋼管管材的應(yīng)力、應(yīng)變的變化規(guī)律，以及軋輥軋制力的變化規(guī)律進(jìn)行研究分析。

3.1 管材軋制過程中的應(yīng)力分析

在鋼管管材上選取11 個不同位置的點(diǎn)，每個位置對應(yīng)不同的減徑量、減壁量和鋼管咬入軋輥的送進(jìn)量，對摩擦系數(shù)為0.4 和0.3 分別進(jìn)行軋制過程的研究，分析其軋制規(guī)律。如圖5 所示，當(dāng)摩擦系數(shù)為0.4 時，鋼管的壓應(yīng)力最大值在鋼管與孔型頂部接觸區(qū)域，為80.17Mpa，鋼管的壓應(yīng)力最小值在鋼管與輥縫接觸區(qū)域，為13.54Mpa。當(dāng)摩擦系數(shù)為0.3時，鋼管的壓應(yīng)力最大值與最小值出現(xiàn)的區(qū)域與前者相同，其最大值為80.14Mpa，最小值為7.03Mpa。由圖可見，摩擦系數(shù)越大，鋼管的壓應(yīng)力值稍大，對應(yīng)力的影響規(guī)律較小。

圖5 鋼管不同點(diǎn)、不同摩擦系數(shù)的應(yīng)力分布

針對鋼管管材上11 個不同位置的點(diǎn)，選取4 個不同時刻，研究分析不同的減徑量、減壁量和送進(jìn)量下軋制過程的應(yīng)力分布規(guī)律。如圖6 所示，鋼管在剛進(jìn)入軋輥孔型時，減徑量、減壁量和送進(jìn)量都較小，鋼管部分點(diǎn)沒有接觸軋輥，應(yīng)力較小，最大值只有42.76Mpa，當(dāng)鋼管逐漸進(jìn)入軋輥，各個點(diǎn)與軋輥接觸均勻時，減徑量、減壁量都較穩(wěn)定，送進(jìn)量逐漸增大，鋼管各點(diǎn)的應(yīng)力也逐漸穩(wěn)定，最大值大約都在80Mpa，且其余點(diǎn)的應(yīng)力值也較穩(wěn)定。

圖6 鋼管不同點(diǎn)、不同時刻的應(yīng)力分布

3.2 管材軋制過程中的應(yīng)變分析

同樣針對鋼管管材上11 個不同位置的點(diǎn)，研究分析不同的減徑量、減壁量和送進(jìn)量下，摩擦系數(shù)分別為0.4 和0.3，鋼管軋制過程的應(yīng)變分布規(guī)律。如圖7 所示，當(dāng)摩擦系數(shù)為0.4 時，鋼管的壓應(yīng)變最大值在鋼管與孔型頂部接觸區(qū)域，為0.021，鋼管的壓應(yīng)變最小值在鋼管與輥縫接觸區(qū)域，為0.0002。當(dāng)摩擦系數(shù)為0.3 時，鋼管的壓應(yīng)變最大值與最小值出現(xiàn)的區(qū)域與前者相同，其最大值為0.017，最小值為0.0002。由圖可見，摩擦系數(shù)越大，鋼管的壓應(yīng)變值稍大，對應(yīng)變的影響規(guī)律較小。在鋼管剛接觸軋輥時，鋼管與輥縫區(qū)域接觸，減徑量、減壁量很小，送進(jìn)量較小，鋼管發(fā)生壓扁變形，應(yīng)變量較小，隨著鋼管的送進(jìn)量逐漸增大，鋼管與軋輥的接觸逐漸均勻，減徑量、減壁量也趨于穩(wěn)定，應(yīng)變值也逐漸均勻，在0.02 左右波動。

圖7 鋼管不同點(diǎn)、不同摩擦系數(shù)的應(yīng)變分布

3.3 管材軋制過程中的軋制力分析

在鋼管管材上選取5 個不同位置的點(diǎn)，研究分析不同減徑量、減壁量下軋輥軋制力的變化規(guī)律。如圖8 所示，第1 點(diǎn)為鋼管剛咬入軋輥時的軋制力，此時的軋制力最大，為1094KN，送進(jìn)量很小，減徑量為4mm，減壁量為0.059mm；第2 點(diǎn)為鋼管少部分咬入軋輥時的軋制力，此時的軋制力較大，為1038KN，送進(jìn)量較小，減徑量為4.5mm，減壁量為0.049mm；第3 點(diǎn)為一半鋼管咬入軋輥時的軋制力，此時的軋制力較穩(wěn)定，為1009KN，送進(jìn)量增大，減徑量為4mm，減壁量為0.045mm；第4 點(diǎn)為鋼管大多部分咬入軋輥時的軋制力，此時的軋制力較小，為985KN，送進(jìn)量較大，減徑量為0.5mm，減壁量為0.038mm；第5 點(diǎn)為鋼管全部咬入軋輥時的軋制力，此時的軋制力最小，為974KN，送進(jìn)量最大，減徑量為0.3mm，減壁量為0.009mm。由此可見，軋輥的軋制力在鋼管咬入軋輥初期最大，隨著鋼管逐漸咬入并進(jìn)入穩(wěn)定軋制，軋輥的軋制力逐漸減小至最小值。

圖8 不同減徑量、不同減壁量的軋制力分布

4 管材軋制的工藝參數(shù)優(yōu)化

通過對鋼管管材的四輥軋制過程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，研究分析了在不同減徑量、減壁量、送進(jìn)量和摩擦系數(shù)等工藝參數(shù)下鋼管管材的應(yīng)力、應(yīng)變及軋輥軋制力的變化規(guī)律，從而對鋼管管材軋制的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。如前所述，當(dāng)鋼管一半咬入軋輥時其應(yīng)力、應(yīng)變較為穩(wěn)定均勻，軋輥的軋制力也趨于穩(wěn)定，此時的減徑量、減壁量、送進(jìn)量最佳，同時研究分析了兩個摩擦系數(shù)下的軋制規(guī)律，當(dāng)摩擦系數(shù)為0.3 時軋制過程更為平穩(wěn)均勻。由此優(yōu)化給出工藝參數(shù)的合理參考值：減徑量為4mm，減壁量為0.045mm，送進(jìn)量為管材的一半，摩擦系數(shù)為0.3，此時的軋制規(guī)律最優(yōu)。