利用有限元確定帶材輥式矯直機的壓彎量

高聰敏，張勇安，劉忠寶，常 瑜，秦建平，周存龍，金 莉

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.太原科技大學(xué)，山西 太原 030024)

0 前言

近年來，帶材發(fā)展的重點正從追求產(chǎn)量轉(zhuǎn)移到追求質(zhì)量，國內(nèi)鋼鐵生產(chǎn)廠家急需附有新技術(shù)的輥式矯直機，特別是用于高精度帶材精整線上的輥式矯直機。而要提高其精度，合理的壓彎量至關(guān)重要。由于帶材在輥式矯直過程中彎曲變形、微觀組織的變化等都是非常復(fù)雜的問題，而利用解析法描述矯直變形過程的難度很大。因此本文采用顯式動力有限元分析軟件ANSYS/LSDYNA建立了有限元模型，對所建模型進行沙漏及其能量分析確定其合理性。通過對仿真結(jié)果的分析確定其合理的壓彎量。

1 帶材輥式矯直機有限元模型的建立

帶材在矯直過程中變形復(fù)雜且寬厚比大，所以在建立帶材輥式矯直有限元模型時，要對模型進行簡化。本文建立的輥式矯直機模型為23輥輥式矯直機，上輥為11個輥，下輥為12個輥。同時增加了2個夾送輥，夾送輥沒有壓彎量。下輥距總和為550 mm，帶材長度取為600 mm。考慮到帶材矯直過程的對稱性，減少單元數(shù)目，以帶寬中心面為對稱面，取1/2建模。帶材單元總數(shù)為30 000個。帶材有限元矯直模型見圖1。

圖1 帶材有限元矯直模型Fig.1 Finite element model of steel strip straightening machine

采用常用的8節(jié)點實體單元SOLID164進行模擬，采用單點積分求解方式。根據(jù)分析的實際情況確定參數(shù)見表1，矯直輥和模擬分析中帶材的材料參數(shù)分別見表2和表3。

表1 輥式矯直機基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of roller－type straightening machine

表2 矯直輥材料參數(shù)Tab.2 Property of straightening roller material

表3 模擬分析中帶材的材料參數(shù)Tab.3 Property of steel strip in simulation

2 對模型進行沙漏及其能量分析

圖2和圖3為沙漏和控制沙漏的示意圖。

圖2 沙漏示意圖Fig.2 Schematic of hourglass

圖3 控制沙漏示意圖Fig.3 Schematic of controlling hourglass

圖2的網(wǎng)格劃分長×寬×高為(500×10×4)20 000個單元，有沙漏。圖3的網(wǎng)格劃分長×寬×高為(500×10×6)30 000個單元沙漏得到控制，說明本文網(wǎng)格劃分基本合理。

為確保分析的正確性從能量角度再加以分析，下面分析了兩種不同壓彎量下沙漏能和內(nèi)能的比例關(guān)系:1)入/出口壓彎量為－1.12 mm/0 mm;2)入/出口壓彎量為－0.896 mm/0 mm。沙漏能和內(nèi)能關(guān)系示意圖見圖4。

圖4 沙漏能和內(nèi)能的示意圖Fig.4 Schematic of hourglass energy and internal energy

圖4a、b為當時間分別為0.1 s，0.2 s，0.3 s，0.4 s時，對應(yīng)時刻的沙漏能和內(nèi)能的比例關(guān)系約為:3.6%，4.7%，5.1%，5.2%，再往后比例值趨向于5.2%。圖4c、d當時間分別為0.1 s，0.2 s，0.3 s，0.4 s時，對應(yīng)時刻的沙漏能和內(nèi)能的比例關(guān)系約為:4.7%，5.9%，6.85%，6.9%，此后比例值趨向于6.9%。比較兩種壓彎量下的沙漏能與內(nèi)能比值，說明第一種壓彎量的結(jié)果更好些，整體來說，沙漏能與內(nèi)能的比值的最大值都沒有超過10%，說明建的模型能保證分析的準確性，進一步說明分析結(jié)果可以接受，沙漏得到有效控制。

3 對仿真結(jié)果進行分析確定壓彎量

取3 mm厚帶材分4種情況進行模擬分析，分析條件如下:

帶材規(guī)格(長x寬x厚)為600 mm×75 mm×3 mm，4種情況下入/出口壓彎量分別為－2.00 mm/0 mm、 －3.00 mm/0 mm、 －1.120 mm/0 mm、－0.896 mm/0 mm，夾送輥位置－75 mm，矯直輥速度128 rad/s，求解終止時間0.5 s，模擬情況如圖5所示。

圖5 仿真結(jié)果Fig.5 Result of simulation

圖5a為當時間進行到0.905 s時，帶材剛要經(jīng)過第9個矯直輥，再繼續(xù)矯直，帶材有后退跡象并在第9輥處沿矯直方向前后擺動。圖5b為當時間進行到0.05 s時，帶材經(jīng)過了第5個矯直輥，與第個6矯直輥剛接觸上，同樣再矯直，帶材有后退跡象，并在第5、6個輥之間沿矯直方向前后擺動。對圖5c和圖5d分析發(fā)現(xiàn)可以實現(xiàn)帶材矯直，說明設(shè)置合理的壓彎量對帶材矯直來說很重要。

圖5的分析條件只是壓彎量不同，并且壓彎量越來越大，當壓彎量小時，帶材可以矯直到第9輥，隨著壓彎量的增大，帶材可以矯直到第7輥，壓彎量再大只能矯直到第5輥，說明隨著壓彎量的增大，實現(xiàn)矯直過程會越來越困難。其原因是壓彎量太大，矯直過程中沿矯直方向前進的動力太小。

4 結(jié)論

本文對所建有限元模型首先從沙漏能角度對模型進行了分析，沙漏能小于內(nèi)能的10%說明了分析結(jié)果可以接受，保證了分析的正確性，其次對3 mm厚板材不同壓彎量的仿真結(jié)果進行了分析，通過比較最終確定了其合理的壓彎量，當被嬌直帶材厚度為3 mm時，合理的壓彎量應(yīng)小于1.12 mmm。從實例可見，在工程上使用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件有時比解析法更方便和實用，且計算模擬過程非常形象直觀。

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