热轧钢板矫直工艺的有限元分析

热轧钢板矫直工艺的有限元分析 38宝钢技术2008年第1期 热轧钢板矫直工艺的有限元分析 张春丽,杨晓臻,贺 (1.宝钢股份公司,上海200941;2, 佳,赵志毅 北京科技大学,北京100083) :采用有限元软件ANSYS对热轧钢板矫直工艺进行模拟,研究了钢板同一初摘要 始状态下采用两种不同 矫直工艺参数模拟后的结果,以及在同一矫直工艺参数下对钢板施加不同初应力 载荷的模拟结果.探讨了钢 板矫直过程中残余应力的变化情况以及矫直工艺参数与钢板残余应力的关系.模 拟结果表明:在矫直过程中 钢板表面都要经过拉一压一拉一压一拉的反复弯曲过程;对于纵向残余应力分布 不均的通过模拟矫直能够 达到明显的改善,并且在上矫直辊增加凸度值对消除横断面上的内应力分布不均 是非常有效的. 关键词:矫直;有限元分析;残余应力 中图分类号:TG333,71文献标识码:B文章编号:1008—0716(2008)01—0038—04 FiniteElementAnalysisoftheStraighteningProcessforHotRolledSheets ZhangChunlit,YangXiaozhent.HeJiaz,ZhaoZhiyi. (1.BaoshanIron&SteelCo.,Ltd.,Shanghai200941,China; 2.UniversityofScience&TechnologyBeijing,Beijing100083,China) Abstract:ThestraighteningprocessforhotrolledsheetswassimulatedwithANSYS,akindof finiteelement software.Theresultobtainedafterthesimulationwasstudiedinthesameinitialsituationand withparametersoftwo differentstraighteningprocesses.Changesinresidualstressandrelationshipbetweenstraighteningprocessp~ameters andsteelsheet'Sresidualstresswerediscussed,Thesimulationresultwithdifferentinitialstressloadexertedonthe sheetwasalsostudiedwithparametersofthesamestraighteningprocess.Thesimulationresultindicatesthatinthe straighteningprocess,thesheetsurfacewillgothroughrepeatedbendingoftensionandcompression.Thephenome— nonofthepoorlydistributedlongitudinalresidualstressescanbeimprovedremarkablythroughthesimulatedstraighte— ning.Inaddition,increasingcamberoftheupperstraighteningrollwillbeusefultoeliminatethepoordistributionof internalstresscrossthesection. Keywords:straightening;finiteelementanalysis;residualstress 0引言 近年来,随着计算机硬件能力及软件水平应 用的提高,有限元法在金属弹塑性变形领域中得 到进一步的应用….在热轧钢板生产中,随着高 强度用钢需求量的不断上升,板形缺陷成为主要 的质量问题.矫直是改善钢板残余应力分布,使 热轧钢板生产合乎平直度标准 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 的一道必不可 缺的重要工序.因此有必要对矫直工艺参数与钢 板残余应力之间的关系进行研究分析,但在实际 生产中很难进行这样的对比研究,而且矫直的中 间状态也无法取得. 张春丽工程师1974年生1997年毕业于鞍山钢铁学院 现从事轧钢专业电话26641872 E—mailzhangchunli@baostee1.corn 本文针对矫直工艺参数的变化以及钢板初始 状态的不同,通过有限元软件ANSYS进行模拟分 析,从而为矫直工艺的优化提供建议,实现热轧钢 板产品质量的提高. 1几何和计算模型的建立 模型结构来源于厚板横剪机组的精矫机,是 9辊平行辊矫直机,矫直工作辊下辊有单独调节 功能,上辊升降为手动,有弯辊的凸度调节. 1.1几何模型的建立 矫直辊工作辊间距240mm,辊径225mm,工 作辊9个,辊子驱动转速为0,500/1000r/min, 辊身长度2100mm,矫直速度42m/min.待矫板 材的几何参数为长4000nqlTl,宽1500nqlTl,厚10nqlTl. 板材的 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 属性特征:材料屈服强度=600MPa; 究驴 护研驴 驴与 析驴 驴分驴 张春丽等热轧钢板矫直工艺的有限元分析39 弹性模量E=210GPa;切线模量G=84GPa;泊 松比=0.25;摩擦因数.厂=0.2. 根据ANSYS分析类型划分标准,钢板矫直工 艺的模拟属于静态非线性结构分析.结构模型的 建立采用自下而上的方法.由于钢板存在原始曲 率,因此钢板模型的建立在局部坐标系(R,0,Z) 下完成.假设钢板原始曲率比值C=5,曲率半径 p=1398600mm.钢板模型选择结构单元SOL— ID45,钢板的塑性行为设定为双线性等向强化 (bilinearisotropic)模型.钢板总共划分为1500 个单元,2244个节点.结合现场实际与有限元 模拟的具体情况,假设钢板与矫直辊之间的矫直 接触是带摩擦的刚柔接触,摩擦规律符合库仑定 律,并且矫直辊需要转动,所以选用接触对CON— TA174和TARGE170.接触单元实常数的设定 中,法向接触刚度因子FKN和最大的穿透范围 FI'OLN需要调试,其余采用默认设置.将矫直辊 看作刚性体处理,并通过控制节点(PILOT节点) 对矫直辊施加转动载荷.模型结构中钢板正好放 在产生弯曲变形前的位置以便于直接咬人.如图 1所示为2矫直机实体模型. 图1实体模型 Fig.1Asolidmodel 1.2约束条件和加载求解 矫直辊的转动由PILOT节点控制.对9 个工作辊在,y,z方向上加位移约束限定矫直 辊水平移动;对于沿轴向的转动,在ROTZ上加转 动位移.为实现钢板咬人,在方向上施加位移 载荷.当钢板进入稳定矫直以后,将方向的位 移载荷卸载,钢板靠摩擦力实现自由移动.求解 时,分3个荷载步和若干荷载子步进行.选择大 变形选项,收敛准则采用位移收敛准则,激活线性 搜索. 2矫直工艺模拟的结果分析 模拟实验按照板厚和预设的原始曲率设定矫 直辊压弯挠度,分别按照小变形压弯 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,线性压 弯方案(大变形),以及结合现场实际参数,得到3 组数值,具体设定见表1. 表1矫直工艺参数设定 Table1Establishmentofparametersfor straighteningprocessmm 矫直方式A1A2A3A4A5 zl现场工艺6.55.77.67.98.6 2:2线性递减6.96.27.68.39.0 Z3小变形8.27.98.38.58.7 一 般钢卷打开后,除了在纵向上存在残余应力 分布不均的问题,在钢板横断面上也易出现残余应 力分布不均的情况.当钢板在横断面上有应力分 布不均时,需要采取弯辊措施以增加局部变形的方 法来补偿纵向纤维的长短不齐,达到消除波浪弯的 目的.因此,除了研究在纵向上的压弯方案优化以 外,矫直机横向的凸度值调节也是改善钢板残余 应力分布的重要措施.当板子边部有浪形(存在 压应力),辊子向上抬起;中部有浪时,辊子两边 向下,中部抬起.变量A6,A7,A8分别对应上矫 直辊圆柱面的3个不同位置凸度值.具体数值依 靠钢板原始弯曲浪形情况并结合现场数据得到. 2.1不同矫直工艺参数的模拟结果比较 2.1.1没有初应力状态的矫直X-.艺 为简化初始条件,采用没有初应力状态的钢 板模型,模拟了两种不同辊缝值的矫直工艺.模 拟实验按照不同矫直压弯量的计算方法得到z1, z2两组参数变量(见表1).压弯量不同,得到矫 直后的钢板内应力结果也有所不同,同时,各辊矫 直力水平也不尽相同. (1)内应力分布比较.对于两组压弯值,选 用钢板中部的同一横断面上的单元节点来比较. 从图2不同矫直工艺下的应力分布曲线中可以知 道,无论是内应力的分布还是数值上z1的结果都 是较好的.采用大变形线性递减原则进行的压弯 方式虽然矫直模拟后的残余应力分布也比较均 匀,但是在数值上比其余两者都要大出许多,而采 用小变形原则进行的压弯方式尽管数值上与z1 的结果相差不大,但在分布上却并不是很均匀. (2)矫直力大小比较.由于辊缝值的不同, 自然得到模拟后各辊矫直力大小也会有所不同. 宝钢技术2008年第1期 两组模拟实验结果都表明辊缝值越小的辊子矫直 力越大.并且就总的矫直力来说z1模拟实验矫 直力更大些,与现场实际测量计算出的矫直力相 差不大.各辊矫直力及总矫直力如表2所示. 日 . \ : 星 《 图2应力分布曲线 Fig.2Curvesofstressdistribution 表2矫直力分布 Table2DistributionofstraighteningforcekN uplup2up3up4lowlLow2low3low4low5总力 Z215O14447124720187262O724 Z12161989357972631O668541123 2.1.2施加初应力后矫直工艺 除了讨论钢板在矫直前无初应力状态的情 况,为了结合实际,模型针对待矫钢板的残余应力 在纵向上分布不均的情况,模型中施加初应力载 荷进行模拟试验J.模拟残余应力的方法是在 钢板矫直前通过施加初应力载荷的方式使钢板纵 向产生分布不均的残余应力.图3为施加了初应 力载荷后,矫直前的内应力分布,即初应力载荷沿 钢板纵向分布不均的情况.板子前端存在较大的 压应力,而中部是拉应力,即整个钢板在纵向存在 图3内应力分布 Fig.3Distributionofinternalstress 着内应力的分布不均,并且在外形上看板子纵向 存在浪形. 模拟矫直的压弯量选用线性递减的压弯方式 z2组和结合现场实际的z1组进行比较.在总体 上看,无论哪种压弯方式,可以肯定的是钢板纵向 上压应力存在的部位趋于减少,转变成与其他部 位值相近的正应力,钢板纵向上的内应力分布不 均在模拟矫直后有所改善.外观上看钢板也没有 出现浪形,已经达到矫直的目的. 相比较而言,在数值上看(见图4),以z2方 式模拟的改善效果并不如z1方式的明显.这与 前面研究未施加初应力载荷的钢板经过不同矫直 工艺参数的模拟结果相一致,即矫直后残余应力 值偏高的原因与设定的矫直辊压弯值变量参数有 关系.而就分布上来说两种工艺参数矫直后的改 善情况相当,即增大压弯量对降低残余应力值的 大小有一定的作用,但是在改善应力分布不均上 的效果并不突出. 2.2不同初应力载荷的模拟结果比较 为了讨论矫直辊凸度值变化的影响,模型在 钢板横断面上施加了初应力载荷,模拟钢板横断 面上残余应力分布不均的情况.为了使矫直工艺 模型的初始条件更符合现场实际,模型采用实测 的钢板残余应力值作为矫直模拟前的钢板初始应 力.这里分别以钢板板形为中浪和边浪的实测数 据为基础,采用施加初应力载荷的方式,施加到钢 板模型中(图5). 考虑到钢板的板形特征,并结合现场工艺,假 定上矫直辊凸度值分别为(a)A6=0mm,A7= 1.2mm,A8=一0.2mm;(b)A6=0.7mm,A7= 一 0.2mm,A8=0.5mm. 总之,矫直机横向压下量的调节需要针对钢 张春丽等热轧钢板矫直工艺的有限元分析41 200 l68 ? l36 皇104 72 篓40 纛s 一 24 — 56 200 l68 l36 臭1040 72 40 sT毒 - 24 — 56 00.40.81.21.600.32 宽度/. (a)z1矫直后 (a)边浪 0.640.961.281.60 宽度/. (b)Z2矫直后 图4纵向残余应力 Fig.4Longitudinalresidualstress (a)Z1modeafterstraightening;(b)Z2modeafterstraightening (b)中浪 图5钢板板形 Fig.5Stripshape(a)sidewave;(b)centralwave 日 l \ .R 镗l 宽度/一 (a)边浪 板横断面上不同的残余应力分布状态制定不同的 上矫直辊凸度值,并且随着残余应力值波动范围 的变化而改变(图6).具体对板厚为10mm,屈 服强度为600MPa级别的高强度钢板来说,当钢 板残余应力波动在一150—200MPa,矫直机横向 压下量中凸度值变化相差在1.5mm以内,最大 不超过1.0mm时,钢板残余应力分布可以得到 很好的改善. 6008. 5084. 4160. 3236. 23l2. 1388. 464. 一 459. 一 l383. 一 2307. 5—323l 图6残余应力分布 Fig.6Distributionofresidualstress (a)sidewave;(b)centralwave 3结论 (1)当钢板没有施加初应力载荷情况时,在 矫直过程中钢板表面都要经过拉一压一拉一压一 拉的反复弯曲过程. (2)不同矫直工艺参数的模拟结果表明,结 宽度/. (b)中浪 5 合现场实际的压弯方式z1与线性递减压弯方式 z2相比较而言,无论是内应力的分布还是数值上 z1都要比z2的结果要好些,并且辊缝值越小的 辊子矫直力越大,总的矫直力达到1123kN. (下转第49页) .一x\鼷 陈健宝钢暖通领域的节能问题探讨49 2.6新建项目应采用热水采暖 由于历史原因和整个工厂的能源介质供应情 况,宝钢现有集中采暖系统基本上均为蒸汽采暖, 系统调节手段单一,落后,基本上为人工手动按季 节调节,采暖设备的选型和系统的配置以 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 为 依据,即按照每年不保证5天来设计的,大部分的 时间实际负荷仅为设计负荷的50%,80%,由于 调节不易,为避免室内温度过高,工作人员往往将 窗户打开,于是形成了大冬天开窗乘凉的怪现象, 造成了能源的极大浪费.为避免此种情况的发 生,根据第4号国家节能指令,建议对新建项目的 采暖采用热水采暖,即将现在直接用于采暖的蒸 汽先加热水,再用热水进行采暖,这样做虽然在蒸 汽与热水进行热交换时会有少量热损失,但是以 热水作为采暖热媒的最大优点,是可以根据室外 气象条件的变化,改变水温和循环水量,做到质与 量同时进行调控,从而达到最大限度的节能,同时 也提高了室内的舒适性. 2.7外窗宜设置外遮阳 上海处于夏热冬冷地区,其建筑物的外窗对 室内热环境和空调负荷影响很大,通过外窗进入 室内的太阳辐射热几乎不经过时间延迟就会对房 间产生热效应.特别是在夏季,太阳辐射如果未 受任何控制地射人房间,将导致室内环境过热和 (上接第41页) (3)不同初始条件的模拟结果表明:在上矫 直辊上增加凸度值对消除横断面上的内应力分布 不均是非常有效的.结果中看出在板子中部存在 的较大内应力已经消失,并且边部存在压应力的 位置也都得到改善. 参考文献 [1]苏岚,王先进,唐荻,等.有限元法处理金属塑性成型过程的 空调能耗的增加.据统计,夏季通过外窗进入房 间的太阳辐射得热几乎占建筑得热的35%,在办 公建筑的空调能耗中,办公设备,围护结构的温差 传热,新风负荷三项所占的比例之和还不如太阳 辐射得热负荷一项高,因此,采取有效的遮阳措施 降低外窗太阳辐射形成的空调负荷,是实现空调 节能的有效方法.除了目前普遍采用的窗帘等内 遮阳措施外,还应采取效果更好的外遮阳措施. 对于处于夏热冬冷地区的宝钢大部分生产单元来 说,既要减少夏季由于外窗太阳辐射形成的空调 冷负荷,又要在冬季充分利用外窗的太阳辐射减 少采暖的热负荷,因此,可采用设置外卷帘或外百 叶式的活动遮阳措施.此外,对于受到高温辐射 的操作室等,可考虑在观察玻璃上贴防辐射膜,对 减少辐射得热大为有利. 3结论 综上所述,在宝钢仅暖通领域可节能的方面 很多,从项目的建设开始考虑节能问题,提供一个 能够实现节能的硬件设施,可为整个运行使用过 程中的节能创造有利的条件. (收稿日期:2007—06—12) (改稿日期:2007—08—20) 接触问题[J].塑性工程,2000,(12):2. [2]曾攀.有限元分析及应用[M].北京:清华大学出版社,2004:5. [3]龚曙光.ANSYS工程应用实例解析[M].北京:机械工业出 版社,2003:12—15. [4]嘉木工作室.ANSYS5.7有限元实例分析教程[M].北京: 机械工业出版社,2002:19. (收稿日期:2007—03—13) (改稿日期:2007—08一叭)