李紅斌 張樹(shù)江 葛曉紅

(1.河北聯(lián)合大學(xué) 2.河北津西鋼鐵集團(tuán)正達(dá)鋼鐵公司; 3.中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司)

H型鋼熱軋過(guò)程中殘余應(yīng)力有限元模擬

李紅斌1張樹(shù)江2葛曉紅3

(1.河北聯(lián)合大學(xué) 2.河北津西鋼鐵集團(tuán)正達(dá)鋼鐵公司; 3.中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司)

在熱軋 H型鋼的生產(chǎn)過(guò)程中,由于 H型鋼斷面的復(fù)雜性,導(dǎo)致在長(zhǎng)度方向上翼緣和腹板之間形成了一定的殘余應(yīng)力,嚴(yán)重影響了 H型鋼的性能。本文通過(guò)采用ANSYS軟件對(duì)熱軋 H型鋼的熱軋過(guò)程進(jìn)行模擬,定量的分析了殘余應(yīng)力數(shù)值的大小。

H型鋼 應(yīng)力 ANSYS 有限元值模擬 殘余應(yīng)力數(shù)值分析

KEY WAORDSH-beam stress ANSYS FEM residual stress analysis

0 前言

型鋼是一種內(nèi)側(cè)無(wú)斜度的工字鋼,它是在普通工字鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。型鋼作為一種經(jīng)濟(jì)斷面鋼材被廣泛地應(yīng)用于諸多領(lǐng)域,現(xiàn)已成為我國(guó)推廣使用的重點(diǎn)節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品[1]。隨著 H型鋼應(yīng)用的日益廣泛,人們對(duì)其外形尺寸、力學(xué)性能的要求越來(lái)越高,鋼中殘余應(yīng)力的分布不均勻問(wèn)題日益突出[2]。針對(duì)熱軋 H型鋼變形過(guò)程的不均勻性,劉相華[3]等對(duì)熱軋 H型鋼邊部外側(cè)的變形進(jìn)行了研究,王欣[4]等對(duì)軋件的金屬流動(dòng)以及軋制力分布進(jìn)行了模擬,均取得了良好的成績(jī);但是,由于 H型鋼斷面的復(fù)雜性,在變形過(guò)程中容易形成軋件的各部分變形不均勻?qū)е碌臍堄鄳?yīng)力。通過(guò)采用大型有限元分析軟件 ANSYS/LS-DYNA對(duì) 200 mm×200 mm×8 mm×12 mm規(guī)格的 H型鋼的軋制過(guò)程進(jìn)行模擬,得到各個(gè)道次在變形過(guò)程中,腹板和翼緣之間在軋制方向上的相互作用應(yīng)力的計(jì)算值,從而對(duì)熱軋后由于變形不均勻以及變形過(guò)程中斷面溫度不均勻造成的 H型鋼產(chǎn)品內(nèi)部長(zhǎng)度方向上的殘余應(yīng)力進(jìn)行描述,為 H型鋼的生產(chǎn)以及推廣使用提供參考。

1 彈塑性有限元模型的建立

1.1 孔型、軋機(jī)布置與壓下規(guī)程

眾所周知,由于熱軋 H型鋼在粗軋階段的溫度較高,變形量較大,此時(shí)一般的結(jié)構(gòu)鋼在粗軋階段都能夠發(fā)生動(dòng)態(tài)或靜態(tài)再結(jié)晶以及回復(fù)等軟化作用,所以粗軋階段的變形對(duì)殘余應(yīng)力的影響很小,所以筆者僅對(duì)熱軋 H型鋼在精軋過(guò)程中的變形進(jìn)行模擬分析。

萬(wàn)能軋機(jī)的孔型由一對(duì)上下水平輥和一對(duì)左右立輥構(gòu)成,成品孔型為 H形,成品前孔型為 X形[5],如圖 1所示。

圖1 H型鋼軋機(jī)孔型圖

參照現(xiàn)場(chǎng)采用 7架萬(wàn)能軋機(jī)和 2架軋邊機(jī)構(gòu)成了 9架連軋 H型鋼生產(chǎn)線,軋邊機(jī)僅對(duì)翼緣的邊緣部位進(jìn)行加工,軋機(jī)布置狀態(tài)如圖 2所示。模型取1/4孔型與軋件孔型,其尺寸均來(lái)自現(xiàn)場(chǎng),為避免模擬時(shí)間過(guò)長(zhǎng),本文縮短了軋機(jī)之間的距離,以前后軋輥互不干涉為準(zhǔn)。

圖2 H型鋼軋機(jī)布置

模擬的壓下規(guī)程為實(shí)際生產(chǎn)規(guī)程,其軋制規(guī)程見(jiàn)表 1。

表1 軋制規(guī)程

在模擬過(guò)程中,軋輥與軋件的尺寸設(shè)置見(jiàn)表 2。

表2 模型尺寸 mm

1.2 建模理論

針對(duì)熱軋 H型鋼變形過(guò)程中的金屬流動(dòng)特點(diǎn),采用彈塑性有限元理論進(jìn)行建模:

1)虛功方程:變形體在變形的過(guò)程中的每一個(gè)瞬間都要滿足平衡關(guān)系,也就是說(shuō)要滿足虛功方程。以變化率形式表示的虛功方程為:

式中:V——求解域;

Sσ——應(yīng)力邊界條件;

Pi——對(duì)像的表面應(yīng)力;

Fi——體積力;

σij——Eulaer應(yīng)力張量的分量;

δvji——物體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的虛速度分量;

δeij——虛速度應(yīng)變速率 (eij=deij/dt);

eij——Alm ansi應(yīng)變張量。

2)本構(gòu)方程:本構(gòu)方程實(shí)際上就是應(yīng)力應(yīng)變之間的相互關(guān)系式,對(duì)于各向同性的大變形彈塑性金屬材料,本構(gòu)方程不再是符合線性關(guān)系的胡克定律了而是應(yīng)力增量和應(yīng)變?cè)隽康男问?即:

式中 :J(Δ σij)——Jaumann應(yīng)力增量 ;

Δekl——對(duì)數(shù)應(yīng)力張量的增量;

W——變形過(guò)程中的應(yīng)變能量密度;

Eij——Green應(yīng)變張量。

3)剛度矩陣:在有限元法中,單元內(nèi)的任意一點(diǎn)的位移可用該單元有限個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移表示出來(lái)。設(shè)單元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為ααi,節(jié)點(diǎn)位移為 Uαi。則單元內(nèi)的任意節(jié)點(diǎn)和該節(jié)點(diǎn)的唯一之間的關(guān)系可以寫成如下矩陣形式:

式中:u——單元內(nèi)任意一點(diǎn)位移分量形成的列向量;

N——形函數(shù)矩陣;

Ψ——單元節(jié)點(diǎn)位移的列向量。

2 模擬結(jié)果及其分析

2.1 軋件斷面代表單元的選取方案

由于 H型鋼斷面的復(fù)雜性,對(duì)于不同部位的 Z向應(yīng)力分析,在斷面上的不同部位選擇 8個(gè)不同的單元,分析其軋制方向上的應(yīng)力在最后一道次的軋制過(guò)程中的變化情況,以及軋制完成后的軋制方向上的應(yīng)力狀態(tài)。所選取的單元的部位如圖 3所示,這些單元具有一定的代表性。

圖3 應(yīng)力結(jié)果觀察點(diǎn)的選取

2.2 殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

軋制過(guò)程中由于所選單元所處的位置的不同,以及由于熱軋 H型鋼變形過(guò)程的復(fù)雜性,也就導(dǎo)致了斷面上所選單元的應(yīng)力大小有很大的不同,由于軋邊機(jī)只對(duì)翼緣邊部的金屬進(jìn)行修整,并且變形量很小所以在只考慮萬(wàn)能軋制過(guò)程中各單元的殘余應(yīng)力值變化,如圖 4所示。

圖4 各單元各道次的軋制方向殘余應(yīng)力

所選單元的應(yīng)力變化較為平緩,數(shù)值的分布也較為均勻;在整個(gè)變形過(guò)程中,由于軋制過(guò)程中立輥是被動(dòng)的,所以設(shè)置腹板和翼緣的延伸系數(shù)比的時(shí)候使之始終保持在大于 1的水平,即增加翼緣的延伸,以抵消由于立輥被動(dòng)所造成的翼緣延伸不足。由于這種延伸系數(shù)的分配方式保證了單元在變形過(guò)程中,單元的應(yīng)力較小。在最后幾道次中,軋件中的腹板和翼緣的交接處存在著較大的內(nèi)應(yīng)力,模擬的結(jié)果顯示其值小于 1.8 MPa,這主要是由于翼緣和腹板的延伸在后繼道次中的分配不合理造成的,翼緣限制了腹板的延伸,這種腹板與翼緣的延伸不均,也是造成在實(shí)驗(yàn)的時(shí)候腹板出現(xiàn)波浪的根本原因所在;在腹板中間所選取的單元,由于腹板距離翼緣較遠(yuǎn),受到的延伸限制較小,軋制完成后所受到的應(yīng)力基本為 0;在翼緣的邊緣部位的單元,由于位置特殊所以殘余應(yīng)力也不大。

3 結(jié)論

1)在熱軋 H型鋼熱軋完成后由于變形的不均勻,在翼緣內(nèi)部存在拉應(yīng)力,腹板內(nèi)部存在壓應(yīng)力,最大應(yīng)力不超過(guò) 1.8 MPa。

2)在腹板上與翼緣的交界處單元的壓應(yīng)力最大,翼緣內(nèi)側(cè)靠近與腹板交接處的單元受到的壓應(yīng)力最大;

3)在萬(wàn)能軋機(jī)軋制的開(kāi)始的幾個(gè)道次中,總體來(lái)說(shuō)所選各個(gè)單元的內(nèi)部的殘余應(yīng)力還比較均勻,但是在后面的幾個(gè)道次變形均勻性較差,導(dǎo)致殘余應(yīng)力升高;造成這種現(xiàn)象的原因除了孔型問(wèn)題外,還有軋件斷面復(fù)雜而造成的溫度不均勻等其他方面的原因。

[1] 馮憲章.H型鋼軋制過(guò)程摩擦力分布的數(shù)值分析[J].潤(rùn)滑與密封,2006,178(6):78-80.

[2] 曹杰,奚鐵,章靜.等.H型鋼萬(wàn)能軋制變形分析[J].重型機(jī)械,2005(1):23-25.

[3] 劉相華,白光潤(rùn).H型鋼軋件外部邊側(cè)前滑值得研究 [J].鋼鐵,1985,20(8):44-47.

[4] 王欣,王長(zhǎng)松,尹左勇,等.H型鋼軋制過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2003,25(6):560-562.

[5] 朱國(guó)明,康永林,陳偉,等.H型鋼空冷過(guò)程中殘余應(yīng)力的有限元分析[J].機(jī)械工程材料,2008,32(4):77-80.

FINITE ELEM ENT STIM ULATION OF RESIDUAL STRESS DURING H-BEAM HOT ROLLED PROCESS

Li Hongbin1Zhang shujiang2Ge Xiaohong3
(1.HeBeiUnion University; 2.Zhengda Iron and Steel Company,Jinxi Iron and Steel Group;3.XingtaiMachinery&Mill Roll Co.,Ltd,Sinosteel Group)

During H-beam rolling,the complexity of H-beam section causes the residual stress formed be tween the web and flange,which greatly decreased the property of H-beam.The paper numerically analyses the residual stress during H-beam hot rollingwith ANSYS software.

＊聯(lián)系人:李紅斌,碩士,助理實(shí)驗(yàn)師,助理工程師,河北.唐山 (063009),河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院;

2010—12—12