不銹鋼拉伸彎曲矯直過程有限元仿真模型

這種優(yōu)質(zhì)材料具有高度強度、抗蝕性和光滑的表面，廣泛應用于各行各業(yè)。由于不銹鋼帶鋼特殊的生產(chǎn)工藝,使得不銹鋼經(jīng)過冷軋、退火、平整后表現(xiàn)出較為嚴重的板形缺陷(浪形、翹曲等),因而通常以不銹鋼連續(xù)拉彎矯直工藝(簡稱拉矯工藝)作為最后消除板形缺陷的精整工藝。該工藝思想是使帶鋼在遠小于材料屈服極限的平均張應力作用下通過幾組相互交錯的輥子而產(chǎn)生寬向不均勻分布的塑性變形,達到矯正板形缺陷的目的,成為不銹鋼帶鋼生產(chǎn)消除板形缺陷的關鍵工序。合理制定拉矯工藝參數(shù)的基礎是掌握帶鋼經(jīng)過各個輥組的變形及應力演化規(guī)律。為此,研究者最早采用解析方法對拉矯過程的變形行為進行了研究。但由于簡化過多,近年來國內(nèi)外研究者采用有限元仿真研究拉矯過程,并取得了令人滿意的精度,如張清東等曾對帶鋼拉矯過程進行了仿真建模,Huh等采用彈塑性有限元方法對拉矯過程進行了研究。由于不銹鋼變形抗力大、拉矯機采用旋轉(zhuǎn)壓下的特點,對不銹鋼帶拉矯過程還未見報道。本文以某不銹鋼帶精整線的“一彎兩矯”式拉矯機為對象,運用ABAQUS有限元軟件對不銹鋼帶鋼拉矯過程進行分析,研究拉矯過程帶鋼伸長率和應力經(jīng)過各個輥組的變化規(guī)律,探究拉矯過程中帶鋼厚度方向各層的狀態(tài)變量演化規(guī)律,為深入研究不銹鋼帶鋼矯直技術提供一種可行的方法。1不銹鋼帶拉矯機主要特點由于不銹鋼材料力學性能特點和表面質(zhì)量的苛刻要求,其拉矯過程與普通碳鋼不同:1)不銹鋼變形抗力大,塑性變形難,拉矯時延伸較難產(chǎn)生;2)表面精度和光潔度要求高,拉矯時要兼顧帶鋼表面質(zhì)量;3)來料板形出現(xiàn)L翹、C翹和浪形等缺陷,拉矯時需要提供足夠的伸長率才能消除缺陷。不銹鋼帶拉矯機組與常規(guī)普碳鋼拉矯機不同,張力輥組及傳動部分組成與碳鋼拉矯機結(jié)構(gòu)相似,而矯直單元的輥組配置采用“一彎兩矯”,如圖1所示,即由第1機架的1號彎曲輥組和第2、第3機架的2號、3號矯直輥組組成。在拉矯過程中,3個機架的工作輥分別以某一固定點為圓心,以圓周運動完成壓下動作,完成壓下的同時使得上下輥水平間距減小(圖1中的x1、x2、x3)。使得相同壓下量、張力水平時,帶鋼的彎曲更加劇烈,所能提供的伸長率也大大增加。2通過建立金元模型2.1拉環(huán)法的參數(shù)本文選取生產(chǎn)中某規(guī)格304不銹鋼帶典型拉矯過程進行建模,工藝參數(shù)如表1所示。2.2拉矯機本構(gòu)的性能要求根據(jù)不銹鋼材料本構(gòu)關系及不銹鋼拉矯工藝的特點,可以進行如下假設:1)帶鋼力學性能和厚度沿寬度方向一致,也即每一縱截面的材料本構(gòu)行為一致;2)板形狀況理想,也即來料無板形缺陷(如浪形、L翹、C翹);3)彎曲工作輥無彎曲,也即彎曲輥無撓曲;4)拉矯過程中沿寬度方向帶鋼速度一致;5)忽略材料包辛格效應。2.3元模型的構(gòu)建1帶鋼材料參數(shù)本文主要分析不銹鋼拉矯過程帶鋼縱向的塑性變形及應力應變行為,選取表1所示規(guī)格的典型帶鋼進行分析。根據(jù)基本假設,可取寬度單位長度的帶鋼進行分析(本文選取25mm),帶鋼厚度大小與長度、寬度方向的比值很大(B/h<1000),因而采用殼單元對帶鋼特征建模,而各個輥組采用剛體特征建模。為了分析帶鋼經(jīng)歷多個輥組拉伸彎曲過程(從1號彎曲輥入口到3號輥組出口)的變形行為,故帶鋼長度方向需選取至少1號輥入口到3號輥出口距離的2倍(本文選取4700mm)。不銹鋼帶鋼材料參數(shù)采用彈塑性材料模型,采用指數(shù)硬化的關系,相關參數(shù)均取自304不銹鋼的單向拉伸試驗結(jié)果。圖2所示為不銹鋼拉矯過程的有限元模型。2拉矯網(wǎng)格過密。根據(jù)確定拉矯主體在網(wǎng)格劃分過程中,過大的網(wǎng)格尺寸不僅會降低計算精度,還會造成剛性輥與帶鋼表面接觸時產(chǎn)生數(shù)值奇異,導致不收斂?？紤]到材料、接觸非線性及帶鋼長度較長,網(wǎng)格過密則會嚴重影響計算效率。實際拉矯關注的重點在第1個工作輥入口處的帶鋼經(jīng)過3組輥子后的塑性變形規(guī)律,建模時也只重點關注帶鋼在第1個壓下輥處到入口導向輥之間400mm的距離。網(wǎng)格劃分時,對帶鋼進行分割,并采取過渡單元,在需要重點關注的400mm長度的帶鋼網(wǎng)格長度為4mm,共100個網(wǎng)格,而在帶鋼其他部分,在不影響接觸約束的條件下可將網(wǎng)格長度增大到20mm,如圖3所示。采用上述的網(wǎng)格劃分方法,使得計算時間大大縮短。3拉矯機分區(qū)的分區(qū)分類為了分析帶鋼拉矯過程中狀態(tài)變量的演化規(guī)律,尤其是特征點沿x方向應力(σ11,σeq)和塑性應變(εp1111p,帶鋼伸長率)經(jīng)過3個機架的演化規(guī)律,對帶鋼從第1個壓下輥開始進入各個輥組,經(jīng)過拉矯后到達第3個輥組出口的整個過程進行分區(qū),將帶鋼在拉矯工藝段按照其所處的位置分為7段(如圖4所示)。分析時,選擇帶鋼在①號位置的某特征位置進行跟蹤,并針對帶鋼厚度方向的各層積分點對應的帶鋼厚度位置進行標定,其中第1層對應下表面位置,第4層對應帶鋼厚度幾何中性層位置,第7層對應帶鋼的上表面(如圖4所示),中性層和上下表面位置為本文重點研究部分。3.1多卷帶鋼的模式分析定義帶鋼從入口位置經(jīng)過3個輥組后帶鋼中間層沿帶鋼長度方向的塑性應變?yōu)閹т摰纳扉L率。為驗證模型的可靠性,取同一材質(zhì)、規(guī)格的多卷帶鋼采用表1所示的工藝參數(shù)進行實際拉矯生產(chǎn)。表2所示為帶鋼實測和仿真的伸長率結(jié)果(沿x方向中性層的塑性應變εp1111p),可以看出計算值與實測的結(jié)果吻合較好,說明本文建立的有限元仿真模型較真實地再現(xiàn)了實際不銹鋼帶的拉矯過程。3.2鋼的最大力定律的發(fā)展特征1拉拔后中間層應力圖5(a)為拉矯過程帶鋼所取特征位置點經(jīng)過1號輥組應力σ11隨著時間的演化規(guī)律。帶鋼在未經(jīng)過1號彎曲輥組前(圖4所示的位置①),上下表面和中間層即帶鋼整體所受應力均為拉矯機提供的入口張應力77.9MPa。當帶鋼經(jīng)過1號彎曲輥組壓下輥時(位置②),由于帶鋼在彎曲輥的作用下向下彎曲,使得帶鋼上表面受壓,σ11由77.9MPa變?yōu)?300MPa;帶鋼下表面受拉,σ11絕對值由77.9MPa增加至300MPa;中間層由于受到拉伸彎曲的作用產(chǎn)生拉應力,σ11由77.9MPa增加至280MPa。當帶鋼經(jīng)過1號固定輥時(位置③),由于帶鋼此時受到向上彎曲作用,帶鋼上表面轉(zhuǎn)為受拉應力,σ11值變?yōu)?00MPa,而帶鋼下表面則受到壓應力,σ11絕對值變?yōu)?00MPa,中間層應力值在這個過程中基本保持不變。圖5(b)為帶鋼在經(jīng)過2號輥組前后帶鋼特征位置點在各層的σ11演化過程。與經(jīng)過1號輥組相似,在經(jīng)過2號矯直輥組的壓下輥后(位置④),帶鋼上表面再次受到壓縮,σ11由300MPa變?yōu)?,而下表面則剛好相反。在通過2號輥組的固定輥后(位置⑤),上表面由于上彎受到拉應力,下表面受壓應力。但是由于在彎曲輥組處所受的殘余應力的影響,上下表面的應力值同時趨近于0。在此過程中,帶鋼中間層應力數(shù)值一直保持280MPa不變。圖5(c)為帶鋼經(jīng)過3號輥組的σ11演化過程。在壓下輥時(位置⑥),由于帶鋼受到拉伸和彎曲的聯(lián)合作用,首先使帶鋼上表面應力由0增大到380MPa,隨后,由于帶鋼的下彎,使上表面受到壓應力,應力數(shù)值由380MPa減小到-360MPa。當達到第3機架固定輥處(位置⑦),帶鋼上彎,上表面受拉應力,應力值再次增大到300MPa。在上述過程中,帶鋼下表面變化過程與上表面完全相反,而中間層則一直保持280MPa不變。2帶鋼彎曲輥的等效應力值變化規(guī)律圖6為拉矯過程中特征點位置在1號輥組、2號輥組、3號輥組的等效應力經(jīng)過各輥組的演化規(guī)律,其中橫坐標為特征位置點經(jīng)過各工藝段的時間,縱坐標為等效應力σeq。如圖6(a)所示,與帶鋼在x方向的應力σ11相似,在未經(jīng)過1號彎曲輥組前(位置①),帶鋼各節(jié)點受拉矯機提供的張力77.9MPa;當帶鋼在1號彎曲輥組從彎曲輥入口到出口(位置②),除幾何中間層外各層等效應力均是先增大后減小,進而增大到某一值;而幾何中間層達到屈服后不再變化。在經(jīng)過固定輥時(位置③),帶鋼各層的等效應力值經(jīng)歷與彎曲輥相反的過程,即各層等效應力先減小,后增大的過程,幾何中間層基本保持不變,且達到屈服極限,經(jīng)過固定輥之后最終達到280MPa以上。如圖6(b)所示,在經(jīng)過2號輥組的彎曲輥時(位置④),特征位置點各層所受應力接近于50MPa,越靠近上下表面數(shù)值越小,但中性層所受應力并未減小。經(jīng)過固定輥時(位置⑤),由于拉伸彎曲作用各層等效應力出現(xiàn)先增大后減少的趨勢,而幾何中間層在整個過程基本保持不變。如圖6(c)所示,在經(jīng)過3號輥組架時與1號輥組類似,特征位置點各層等效應力在分別經(jīng)過彎曲輥和固定輥時(位置⑥和位置⑦),又分別經(jīng)過一次交替變化的過程,最終中性層應力為280MPa,上下表面應力為200MPa。3.3壓下輥下表面塑性應變的變化圖7為拉矯過程中特征點位置在1號輥組、2號輥組、3號輥組的沿x方向塑性應變經(jīng)過各輥組的演化規(guī)律,其中橫坐標為特征位置點經(jīng)過各工藝段的時間,縱坐標為塑性應變ε11。如圖7(a)所示,帶鋼在未經(jīng)過1號彎曲輥組時所產(chǎn)生的應變?yōu)?。當帶鋼節(jié)點經(jīng)過1號彎曲輥組彎曲壓下輥(位置①)時,由于受到拉伸彎曲作用,中間層的塑性應變快速增加到0.28%,而下表面積分點塑性應變瞬時增大到0.78%,上表面受彎曲壓應力影響,塑性應變?yōu)?0.4%,說明受到了壓縮。而經(jīng)過固定輥(位置②)時,下表面的塑性應變有所減小,但是并沒有降到0以下,表明在此沒有受到壓縮而產(chǎn)生負延伸。而上表面也產(chǎn)生了塑性延伸,塑性應變由負值變?yōu)?.006,并且此時兩表面都與中間層塑性應變值接近。帶鋼經(jīng)過2號輥組時(如圖7(b)所示),帶鋼各層的塑性應變在通過壓下輥時塑性伸長率絕對值都有減小趨勢,幾何中性層變化不明顯,而且上下表面與中間層的伸長率趨于相等,說明帶鋼經(jīng)過此輥組時起到矯平的效果。經(jīng)過3號輥組架時(如圖7(c)所示),塑性應變在經(jīng)過壓下輥時(位置⑥)上下層由于彎曲作用均產(chǎn)生塑性變形,其中上表面壓縮變形,下表面拉伸變形。幾何中性層也發(fā)生少量塑性變形。而經(jīng)過固定輥時(位置⑦),上下表面的塑性變形與壓下輥的相反,上表面拉伸、下表面壓縮,幾何中性層也發(fā)生少量塑性變形。但可以看出經(jīng)過3號輥組時幾何中性層產(chǎn)生的塑形應變只為0.15%,對總伸長率貢獻相對較小。綜上分析,帶鋼伸長率的產(chǎn)生主