摘 要：本文通過(guò)MSC.Superform非線性有限元軟件構(gòu)建16#角鋼熱連軋過(guò)程有限元模型，采用有限元法并考慮材料的高溫?zé)崃W(xué)行為來(lái)模擬大角鋼的熱連軋過(guò)程，不但可以縮短調(diào)整周期和降低生產(chǎn)成本，而且其計(jì)算的準(zhǔn)確性比較高，具有重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：彈塑性；有限元模擬；角鋼；連軋

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.028

1 彈塑性有限元法概述

有限元法是研究金屬塑性變形的理論分析方法，誕生于20世紀(jì)中葉，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，已成為計(jì)算力學(xué)和計(jì)算工程領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的計(jì)算方法。有限元法將具有無(wú)限個(gè)自由度的連續(xù)軋件假想成只具有有限個(gè)自由度的單元集合體，各單元間以節(jié)點(diǎn)相連接，以節(jié)點(diǎn)的位移或速度作為未知量，應(yīng)用最小能原理和邊界條件求解相應(yīng)的物理方程，進(jìn)而確定各單元的應(yīng)力、應(yīng)變分布。

2 理論基礎(chǔ)

大變形有限元法也叫有限應(yīng)變有限元法。在小變形彈塑性變形情況下，工程應(yīng)力和工程應(yīng)變?nèi)钥勺鳛閼?yīng)力度量和應(yīng)變度量。這時(shí)彈性力學(xué)中的平衡方程和幾何方程仍然成立，只是物理方程變成非線性的了，稱(chēng)為材料非線性。在大變形的過(guò)程中，由于大位移和大轉(zhuǎn)動(dòng)，單元形狀發(fā)生改變，此時(shí)不僅是材料非線性了，位移與應(yīng)變的關(guān)系也成為非線性的。在大變形的條件下，彈塑性應(yīng)力應(yīng)變的度量、本構(gòu)關(guān)系、平衡方程以及邊界條件等均與小變形時(shí)不同。

3 連軋角鋼有限元模型的建立

本研究與開(kāi)發(fā)通過(guò)采用MSC.Superform非線性有限元軟件，采用三維大變形熱力耦合有限元法模擬16#角鋼連續(xù)軋制過(guò)程，考慮了溫度和力學(xué)性能對(duì)軋制變形影響，建模中采用熱力耦合分析的有限元模型。由于軋件在軋制過(guò)程中可簡(jiǎn)化為變形對(duì)稱(chēng)并且受力均勻，所以模型采用1/2斷面進(jìn)行建模。認(rèn)為軋制過(guò)程中軋件為彈塑性變形方式，所以采用彈塑性有限元法建立角鋼從來(lái)料方坯到成品各道次軋制過(guò)程的有限元模型。

3.1 網(wǎng)格劃分

有限元網(wǎng)格的布局可根據(jù)型鋼的變形條件以及軋件斷面不同部分變形的劇烈程度來(lái)確定，由于角鋼只存在垂直對(duì)稱(chēng)軸，只能取1/2斷面進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

基于上述角鋼軋制過(guò)程的簡(jiǎn)化和假設(shè)，建立粗軋和精軋過(guò)程的模擬模型。模型中，一般把x，y軸所在平面作為軋件界面平面，坐標(biāo)軸z向作為軋制線方向。模型中軋件及各個(gè)軋制設(shè)備都采用實(shí)際尺寸，坯料來(lái)料截面規(guī)格為250 mm×380 mm （圓角R=8 mm），坯料及模型中軋件長(zhǎng)度的選取應(yīng)考慮到在軋制方向上應(yīng)至少有一個(gè)變形區(qū)長(zhǎng)度的穩(wěn)定變形區(qū)域，所以模型中軋件長(zhǎng)度應(yīng)至少大于3倍的變形區(qū)長(zhǎng)度?？紤]到軋件的散熱對(duì)各個(gè)道次軋制變形的影響，各機(jī)架間離可按機(jī)架的實(shí)際間隔距離來(lái)確定。由于電腦設(shè)備有限，不能同時(shí)模擬軋件在所有孔型中變形情況。本文采用每連軋三道次建立一模型，為了連續(xù)軋制的實(shí)現(xiàn)，模型的中最后一道次出現(xiàn)在下一模型的首道次，前后銜接的2模型中的軋件橫斷面外型、尺寸，節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)以及節(jié)點(diǎn)溫度的傳遞是通過(guò)節(jié)點(diǎn)一一映射來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這樣就保證了相鄰道次間軋件截面的參數(shù)傳遞是正確的。同時(shí)在軸向重新拓展網(wǎng)格減小網(wǎng)格畸變防止失真，保證軋制的穩(wěn)定性。軋件的單元類(lèi)型為八節(jié)點(diǎn)六面體單元（見(jiàn)圖1）。

3.2 主要材料模型

MSC.Superform軟件材料庫(kù)中提供了大量常用材料的材料數(shù)據(jù)，由于實(shí)際生產(chǎn)時(shí)使用的坯料成分為Q420B鋼種，故選擇16MnCr5作為材料模型進(jìn)行模擬。

3.3 模擬計(jì)算條件和方法

本設(shè)計(jì)主要模擬計(jì)算在小H型鋼生產(chǎn)線上連軋生產(chǎn)大號(hào)角鋼，為了準(zhǔn)確體現(xiàn)出各孔型中軋件的變形情況，每個(gè)模型計(jì)算完成后，將軋后軋件的切片取出，拓展處理后作為下一模型的來(lái)料形狀。由于MSC.Superform軟件不具備三維網(wǎng)格再造能力，因此在進(jìn)行下一模型的模擬計(jì)算時(shí)，必須根據(jù)來(lái)料形狀重新對(duì)來(lái)料進(jìn)行網(wǎng)格劃分。使用這種方法可以有效避免因網(wǎng)格畸變?cè)斐傻哪M中斷，能更好的反映整個(gè)軋件在孔型中的變形情況。

軋機(jī)的布置形式為：粗軋機(jī)組為5機(jī)架，平立交替布置，精軋機(jī)組為10機(jī)架，其中U/H萬(wàn)能軋機(jī)8架，軋邊機(jī)2架。連軋生產(chǎn)16#角鋼，機(jī)組主要設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表。共用5個(gè)延伸孔，10個(gè)異型孔。切分孔采用凸底開(kāi)口式切分孔，成品孔為開(kāi)口式，其余為上下開(kāi)口交替布置的蝶式孔。延伸孔型采用了箱型孔型系統(tǒng)。

軋制溫度在900℃～1150℃，異型孔軋制溫度在900℃～1020℃。軋制鋼種為Q420B普通碳素結(jié)構(gòu)鋼。軋輥材質(zhì)為60CrNiMo，其強(qiáng)度極限，σb=785MPa，許用應(yīng)力[σ]=157MPa。

4 結(jié)論

（1）有限元法是研究金屬塑性變形的理論分析方法，已在計(jì)算力學(xué)和工程領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛；

（2）大變形彈塑性有限元理論建立在有限應(yīng)變基礎(chǔ)上，更加適用壓力加工的成形過(guò)程；

（3）16#角鋼有限元模型宜采用1/2斷面進(jìn)行建模。

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作者簡(jiǎn)介：胡睿（1985-），男，安徽滁州人，主要研究方向：材料加工工程。endprint