宽厚板轧制过程有限元模拟分析

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宽厚板轧制过程有限元模拟分析

王立萍;李鸿;李鹏采;丁德欣

【摘 要】Rolls and plates of 5500mm rolling mill of Anshan Iron and Steel

Group are modeledbased on LS-DYNA module platform of ANSYS

software.By setting biting speed of plate,the angular veloc-ity of roller and

rolling reduction as well as other initial conditions,dynamic simulation for

four groups withdifferent width of a singe-pass rolling process is carried

out well as single-pass rolling process withthree groups different rolling

reduction being applied.A nd then the stresses and strains as well as the

con-vexity changes of the plate ofter rolling are analyzed.Finally,the

accuracy ofanalytical results is verified bycomparing the simulation results

with the actual field data of plate rolling,which results are important bothin

theoretical significance and trpplication for improving the quality and

accuracy of heavy plate.%以大型ANSYS软件中的LS-DYNA模块为平台,对鞍钢5500mm轧机轧辊和板带进行建模.通过设置板带的咬入速度、轧辊的角速度、压下量等初始条件,动态模拟四组不同板宽的单道次轧制过程和施加三组不同压下量的单道次轧制过程,进而分析宽厚板轧制过程中的应力、应变以及板带轧后凸度的变化情况.最后,把模拟结果与现场板带轧制实际数据进行比较,验证分析结果的准确性.分析结果对提高宽厚板产品的质量和精度都具有重要的理论意义和应用价值.

【期刊名称】《机械设计与制造》

【年(卷),期】2011(000)008

【总页数】3页(P213-215) 【关键词】宽厚板:轧制;有限元模拟;凸度;压下量

【作 者】王立萍;李鸿;李鹏采;丁德欣

【作者单位】辽宁科技大学机械工程与自动化学院,鞍山114051;辽宁科技大学机械工程与自动化学院,鞍山114051;辽宁科技大学机械工程与自动化学院,鞍山114051;鞍钢股份有限公司,鞍山114021

【正文语种】中 文

【中图分类】TH16;TG333.3

1 引言

进入21 世纪以来,宽厚板产品广泛应用于大型造船业、海洋工程、桥梁、大口径石油和天然气输送管线、大型压力容器和贮罐、重型建筑等结构,宽厚板轧机生产的产品厚度一般在(5~200)mm,宽度一般在(3500~5500)mm,是钢铁工业生产中的主干产品。随着社会的发展和工业技术的进步,用户对宽厚板提出了极其严格的要求。低合金、高强度宽厚板是典型的高技术含量和高附加值产品,它的自主供应和满足极端需求的能力,是国家工业发展战略和安全的综合能力的体现,因此宽厚板产品不仅要有优良的几何形状,还要有良好的力学性能,凸度是影响宽厚板几何形状的主要因素,板带的应力和应变是影响宽厚板力学性能的主要因素。

2 有限元模型的建立

2.1 三维实体模型的建立

建立几何实体模型是LS-DYNA 进行求解分析的前提。建立起来的1/4 几何实体模型,如图1 所示。

2.2 网格的划分 模型划分后的网格,如图2 所示。

图1 模型图

图2 模型网格图

2.3 模型的加载

在有限元模型上定义载荷,施加约束和初始条件边界条件是有限元分析的一个重要环节。

在模型中主要施加板带和轧辊的位移约束、转数以及初始速度。模型约束,如图3

所示。

图3 模型约束图

3 不同板宽的带钢模拟分析

3.1 板带应变分析

利用ANSYS LS-DYNA 软件进行四组不同宽度的板带轧制过程进行模拟。得到轧制后四组宽厚板的应变云图,如图4~图7所示。

图4 2160mm 宽度板带应变云图

图5 2320mm 宽度板带应变云图

图6 3440mm 宽度板带应变云图

图7 3840mm 宽度板带应变云图

3.2 等效应力分析

等效应力可以反应板带全方位的应力,4 种宽度板带按Von Mises 法则生成的等效应力图,如图8~图11 所示。

图8 2160mm 宽度板带等效应力云图

图9 2320mm 宽度板带等效应力云图

图10 3440mm 宽度板带等效应力云图

图11 3840mm 宽度板带等效应力云图 四组板带的等效应力云图最大、最小应力,如表1 所示。

表1 等效应力云图应力值(MPa)

由等效应力云图我们可以看到,在轧制过程中,板带的应力是不均匀的,板带边部应力较小,基本上成对称形状,在板带中前部呈红色区域应力较大。由表1 可以看到,在轧制不同板宽的板带时,轧件受到的应力是不断的变化的,基本上是随着板带的宽度逐渐增加,最大应力在逐渐的增加。

3.3 板带凸度分析

轧机的横向刚度就是造成板带凸度变化1mm 时所需要的轧制力的大小,板带的凸度与轧机的横向刚度有着重要的关系,随着轧件宽度的变化,因而在承受同样轧制力的情况下,轧辊的变形以及为补轧辊变形所必须的轧辊凸度均发生变化,因此板带的凸度也发生变化。为求降低误差,把板带分为十个断面,分别算出这十个断面的凸度,然后再求平均值,结果如表2 所示。

表2 模拟板带凸度

由表2 可以看出,随着宽度的增加,板带凸度也随着增加。

3.4 四组板带凸度数据采集

我们通过现场凸度仪采集到的实际凸度数据,如表3 所示。

表3 现场四组宽度的板带凸度

4 不同压下量对板带的影响

4.1 应变分析

利用ANSYS LS-DYNA软件进行宽厚板轧制模拟分析,我们施加三组不同压下量来轧制板带,获得相应的应变图。如图12~图14 所示。

图12 压下量为10mm 板带应变云图

图13 压下量为20mm 板带应变云图

图14 压下量为30mm 板带应变云图 4.2 应力分析

为了方便说明板带应力的情况,截取板带轧制过程中的等效应力云图,如图15~图17 所示。

图15 压下量10mm 板带等效应力云图

图16 压下量20mm 板带等效应力云图

图17 压下量30mm 板带等效应力云图

4.3 板带凸度分析

三组不同压下量板带凸度,如表4 所示。

表4 不同压下量板带凸度

由表4 我们可以看出,随着压下量的增加,板带凸度也随着增加,这是由于随着压下量增加,导致轧制力增大,辊系工作凸度变大,从而板带的凸度也增大。

4.4 三组板带凸度数据采集与模拟结果比较

现场采集的数据,如表5 所示。

表5 现场实际板带凸度

5 结论

(1)利用显示动力学有限元软件建立宽厚板轧制的模型。(2)利用有限元软件动态模拟分析出了宽度对宽厚板轧制过程中板带的应力、应变以及板带横向厚差(凸度)的影响。(3)利用有限元软件动态模拟分析了压下量对宽厚板轧制过程中板带的应力、应变以及板带横向厚差(凸度)的影响。(4)分析出在随着板带宽度和施加压下量的增加板带应力和板带凸度都有相应的增加。结果与现场数据进行比较,误差在5%以内,符合现场标准,证明了计算结果的正确性。在轧制越宽的带钢和在施加大的压下量时可以通过改变弯辊力大小和施加窜辊以及降低轧辊热凸度的方法来控制板带的凸度。

参考文献

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