基于Abaqus的轧制工艺参数优化

基于Abaqus的轧制工艺参数优化
作者：冯伟
来源：《工业设计》2016年第06期
摘要：利用生产实践反复试验得到最优参数，会造成许多不必要的浪费，通过利用有限元分析软件，对金属材料的轧制过程进行仿真分析，得到最优的参数，从而优化轧制工艺。

本文利用Abaqus有限元分析软件，针对冷轧带钢工艺进行参数优化。

关键词：冷轧；工艺；参数；优化；有限元
随着社会生产力的不断上升，对于金属材料的加工程度也逐渐的精细化。

实践经验表明，在金属轧制成型过程中，金属材料的变形趋势、应变速率、内部应力情况主要受到轧制工艺参数例如轧制速度、压下率等影响，因此，合理的匹配轧制工艺参数对于进一步提升金属加工能效，对于时间生产有着极重要的意义。

但如果利用生产实践反复试验得到最优参数，会造成许多不必要的浪费，通过利用有限元分析软件，对金属材料的轧制过程进行仿真分析，得到最优的参数，从而优化轧制工艺。

1轧制工艺与有限元分析法
1.1 轧制工艺
轧制工艺是现阶段金属加工中极为常见的生产形式，轧制就是指金属材料在旋转轧辊的带入下进入轧辊之间，受到压缩产生塑性变形，从而得到生产需求的一定形状、性能和尺寸的金属产品的生产过程。

轧制工艺按照轧辊旋转与金属材料运动方向的关系，可以简单分为斜轧、纵轧以及横轧。

斜轧指工作轧辊的轴线是异面直线、轧辊旋转方向相同、轧件的运动方向与轧辊的轴线成一定角度。

纵轧指的是金属材料运动的方向与轧辊的轴线垂直，而工作的轧辊的运动方向与旋转方向相反，与自身的轴线平行。

横轧是指工作轧辊的轴线平行、轧辊旋转方向相同、轧件的运动方向与轧辊的轴线平行。

轧制工艺作为一种金属加工生产形式，其主要的生产优势在于能够实现对金属材料的大批量生产，轧制设备种类多，其产品的生产尺寸范围较大，能够满对金属材料加工的不同需求。

与此同时，在轧制过程中，以轧辊为主要的介质，降低了外界环境与金属材料的相互接触，能够降低界面的污染，避免金属材料的特性变化。

同时利用轧制工艺，还能够进行高难度的多种材料的复合轧制。

HC轧机是高性能的、可控制辊型凸度的轧机。

相当于在四辊轧机的工作辊与支承辊之间增设一对可轴向移动的中间辊，并将两中间辊辊身的相应端部分别调整到与带钢两边缘对应的位置，以提高压力分布和工作辊弹性压扁的均匀性，保证带钢的尺寸精度并可减少其边缘的超薄量和开裂等缺陷。

HC轧机宜用作冷轧宽带钢。

1.2有限元分析法
有限元分析是一种利用数学近似的方法来对真实物力进行模拟的方法，有限元计算精度高，能够适应多种复杂形状，应用十分广泛。

有限元求解问题的基本步骤通常为：
1.2.1相关定义
就是对所需要分析的实际问题，近似确定求解性质，并定义
1.2.2求解域离散化
将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。

1.2.3变量以及控制方法确定
一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。

1.2.4推导
单元推导过程往往具有一定的复杂性，为了推导出精确的近似解，需要在推导过程中遵循一系列的原则，如保证问题求解的受连续、单元性质的约束等。

1.2.5总装求解
通过构造出联合方程组，来反映近似求解的对离散域的要求。

1.2.6联合求解
有限元法最终导致联立方程组。

联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。

求解结果是单元结点处状态变量的近似值。

2对轧制过程中的轧制参数的控制
在轧制工艺参数中包括有：温度参数，如加热温度、轧制温度、冷却终了温度；速度参数，如变形速度、冷却速度等；变形程度参数，如道次变形程度、总变形程度等；时间参数，如道次间的间隙时间、变形终了后到开始急冷的时间等。

相关实践证明，轧辊咬入量对于金属材料的稳定轧制过程有着重要的影响，而影响到轧辊咬入量的相关参数为：
2.1轧辊直径和压下量
有利于金属轧件咬入的情况为：压下量保持恒定，轧辊直径越大，咬入角越小，轧辊直径不变的情况下，压下量越小，咬入角越小。

2.2轧辊速度
轧制速度过高的情况下，十分不利于轧件的咬入，这是由于轧辊与金属轧件之间的摩擦力会随之下降，而轧辊速度大，轧件惯性滞后，会导致轧件的难以咬入，通常情况下，对于厚板轧机通常采用低速咬入，咬入后再提高速度进行轧制。

2.3轧辊表面状态的影响
轧辊表面越粗糙，则摩擦系数越大，因而越有利于轧件咬入。

3基于Abaqus的轧制工艺参数优化
Abaqus是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。

AbaqusABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。

并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。

作为通用的模拟工具，Abaqus除了能解决大量结构（应力/位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透/应力耦合分析）及压电介质分析。

根据冷轧带钢的实际生产过程，考虑到每经过一道工序就会对材料的性能产生变化，因此在每一道工序后对材料进行拉伸试验，之后进行有限元分析，根据相关边界条件、载荷，为节省计算资源，选取四分之一模型进行有限元分析。

在Abaqus中按照实际工序进行分布建模，采用先预压再轧制的方法进行分析，先给轧辊一个厚度方向的位移量，达到位置后，在转动轧辊进行轧制，改变轧辊与钢带之间的面面接触，省去了咬入过程的点面接触，继而提升了分析效率。

工序1分析完成后，将分析结果作为
初始条件导入到工序2的分析模型之中，同时为赋予此时的材料新的材料属性，以此类推的方法，完成对钢带轧制过程所有工艺的有限元仿真分析。

利用上述方法，按照实际轧制的初始工艺参数（见下表1），对轧制过程进行仿真分析，在分析结果中，经过第二个工序后，材料的表面出现了十分严重的突起情况，与实际生产情况十分类似，该类突起的毛刺极有可能在下一个工序中，被压向另一侧倾倒，继而形成花印，影响材料的导电性能以及表面光洁度。

为了避免这一情况的出现，由于该情况只在第二道工序中产生，因而只对第一道工序和第二道工序的轧辊参数进行了调整，利用有限元进行了约为5次的方案调整，得出相关参数与材料表面突起高度的相关规律，当第一道工序和第二道工序的轧辊单边缝隙为1.95mm和
5.45mm时，其突起高度最小，基本没有突起，表面光洁。

4结语
在实际的轧制工艺中，不同的轧制参数设置对于金属材料的轧制生产结果产生的影响各不相同。

在追求精细化生产的现代社会，想要进一步的提升生产质量与效率，就必须要对轧制工艺参数不断的优化，保证轧制设备的有效投入，确保最优化生产，实现最大化利益。

参考文献：
[1] 孙铁铠，刘恩来.用弹塑性有限元模拟双金属复合板轧制[J].钢铁研究学报.2002（5）：26-29.
[2] 韩万林.双金属轧制力计算方法的研究[J].上海金属.有色分册.1983（1）：23-28.
[3] 李玉刚，李河宗，于九明.双金属复合板轧制力的工程法计算[J].天津冶金.2000，（4）：32-34.
[4] 王铭宗，郑红专，姚利仁.铝-钢双金属复合轧制层厚比及轧制力的研究[J].轧钢.1994，（6）：14-17.。