8mm厚高強鋼板矯直策略的模擬仿真研究

楊曉臻，趙志毅，孫 林，林 瑋

（1.寶山鋼鐵股份有限公司，上海200941；2.北京科技大學 材料科學與工程學院，北京100083；3.中國兵器工業新技術推廣研究所，北京100089；4.北京科技大學 新材料技術研究院，北京100083）

矯直是精整的核心工序，輥式矯直機是保證板帶材平直度、改善板帶材殘余應力分布的重要設備。選擇合適的矯直策略、制訂合理的矯直機矯直工藝參數是保證產品質量的關鍵［1］。由于高強鋼板的強度較高，塑性較低，在設計矯直工藝時需要同時考慮設備的負荷，保證生產過程的穩定和安全［2］。

隨著計算機應用水平的發展，計算機模擬仿真技術在金屬彈塑性變形領域得到了進一步的應用［3］。國內一些學者應用有限元模擬仿真技術對輥式矯直機的矯直工序進行了研究，研究了不同矯直工藝對鋼板板形的影響［4－6］。

本文用ABAQUS有限元模擬仿真軟件對矯直過程進行模擬，研究矯直策略、矯直工藝變化對矯后板形和殘余應力的影響，為矯直工藝的優化提供依據，以改善產品質量，提高生產穩定性。

1 有限元模擬仿真模型的建立和驗證

1.1 ABAQUS有限元模擬仿真模型的建立

參考某鋼廠的生產實際，矯直過程模擬仿真參數如下：矯直輥間距為220mm，輥徑為200mm，工作輥數量為17個，矯直輥轉速為3rad／s，輥身長度為2 350mm。待矯板材的外形尺寸為2 200mm×1 200mm×8mm。為了模擬現場的板形，設其浪高為50mm。材料屬性特征：屈服強度Rp＝980 MPa，彈性模量E＝197GPa，泊松比v＝0.3，摩擦因數f＝0.2，密度為7.8×103kg／m3。塑性值由拉伸試驗獲得。

根據ABAQUS分析類型劃分，鋼板矯直工藝的模擬屬于靜態非線性結構分析。鋼板選擇八結點線性減縮積分六面體單元（C3D8R單元），材料各向同性。矯直輥選用三維解析剛體，不需要進行單元的劃分。鋼板的單元設置為線性減縮積分，即在單元中心包含1個積分點。ABAQUS在線性減縮積分中引入了“沙漏剛度”來限制沙漏模式的擴展。選擇矯直輥作為第1表面，鋼板作為第2表面，用罰函數法作為接觸界面算法。將17個矯直輥和鋼板裝配成幾何模型，如圖1所示。經統計，共有7 920個網格。

圖1 矯直過程有限元模擬仿真模型

邊界條件和預定義場設定如下。

1）限定矯直輥沿X、Y、Z軸位移的自由度及沿X、Z軸轉動的自由度，這樣矯直輥只能圍繞Y軸旋轉。

2）設定矯直輥轉速3rad／s作為邊界條件，這與現場的矯直速度相當。

3）限定鋼板沿Y軸（即沿輥身長度方向）平移的自由度和其沿X、Z軸轉動的自由度，這樣可以使鋼板能夠平直的通過矯直機，避免在矯直機內的橫向移動。

4）給鋼板一個初始的助推力，方便其咬入。

為了施加實測的應力作為初始應力，需要編寫inp文件，賦予鋼板應力值。為使鋼板的初始應力狀況更加接近真實，對一塊未經過矯直的鋼板沿著板寬方向進行殘余應力測試，測試點達到40個，然后根據所得到的應變值，計算出40個測試點的應力值（見表1），隨后將鋼板沿板寬方向分為40等份，再將每份的應力值寫入inp文件中。

表1 鋼板初始應力輸入值

以點1為例，編寫第1條鋼板的初始應力值，寫入ABAQUS／CAE的inp文件之中。其inp文件寫法如下：

其余各點以此類推。

1.2 矯直工藝的設計

根據不同的矯直策略，設計如下3種矯直工藝。

1）大壓下矯直工藝。鋼板的板形往往不是單次浪形，而是復雜的高次浪形。反彎曲率越大，鋼板各部分彈復曲率差值越小，即鋼板彈復后的殘余曲率變化范圍也就越小。根據這種策略，在第2和第3輥上采用很大的相對反彎曲率，使軋件各部分的總彎曲變形曲率達到很大數值，即可迅速地將殘余曲率減小，使整個軋件長度方向上幾乎成為單值曲率。經過幾次反彎，軋件趨于平直，達到矯直目的。

2）小壓下矯直工藝。初始道次的壓彎量僅僅消除鋼板的最大初始曲率，而后續道次僅僅消除前一道次的殘余曲率。這種壓下方式的能耗最小，但是在實際生產中難以實現。

3）線性遞減矯直工藝。由于該矯直機的輥數較多，不必要在第1和第2輥處消除所有的初始曲率，因此，將初始反彎曲率設為大壓下矯直工藝的80%，通過反復多次彎曲，使殘余曲率消除為0。

具體矯直工藝設定見表2。

表2 理論推導矯直工藝壓下量分配

1.3 模型的驗證

首先，將通過實測獲得的初始應力編寫為inp文件的形式寫入到初始鋼板當中，使鋼板帶有初始殘余應力；然后，按照表2所述的大壓下矯直工藝對矯直工作輥進行調節；最后，進行大壓下矯直工藝的模擬。矯直前、后鋼板殘余應力分布如圖2和圖3所示。從圖中可以看出，鋼板的整體應力水平降低了，而且應力的分布情況變得均勻了，說明矯直模擬過程很好地反映了矯直工藝能夠降低應力水平，并且均勻鋼板的殘余應力分布情況。

圖2 矯直前鋼板殘余應力分布云圖

圖3 矯直后鋼板殘余應力分布云圖

在現場將各矯直輥壓下量設定為大壓下矯直工藝的壓下量，對矯后鋼板用小孔法測試沿著板寬方向殘余應力的分布。

讀取矯直之后的ODB文件，導出距離鋼板頭部1 000mm處垂直軋向的1條直線上的10個節點的縱向應力值，與實測的鋼板中部的精矯后的應力分布情況進行對比，如圖4所示。從圖中可以看出，模擬后的應力分布情況與實測得到的分布情況基本相似，這說明矯直模型各參數采集較為準確，矯直模型較為準確地反映了真實的矯直過程。而模擬值小于實測值的原因，一方面是模型中鋼板的屈服強度是真實強度的最小值，導致模型中鋼板的整體強度低于真實值，這更有利于應力的釋放；另一方面模擬過程的矯直輥是剛性輥，在矯直過程中沒有彈跳，而現實中，矯直輥是有彈跳現象的，這使得模擬過程的壓下量要大于現實值，這樣就更有利于應力的釋放。

圖4 矯直前、后鋼板沿板寬方向殘余應力分布圖

2 試驗結果及分析

2.1 矯直前、后板形分析

通過對大生產現場進行統計，進入17輥矯直機之前的鋼板浪高為30～50mm，浪距為3 000～5 000mm。模擬仿真的過程選擇了更惡劣的板形，2.2m內的浪高達到了50mm。將矯直工作輥的壓下量分別按照大壓下工藝、小壓下工藝和線性遞減工藝進行調整，之后分別進行模擬。

通過分別讀取3種矯直模擬過程后的ODB文件，沿矯直方向統計了鋼板節點坐標后，經過坐標軸轉換處理，將矯直前、后板形狀況進行統計，得到的矯直前、后板形示意圖如圖5所示。從圖中可以看出，大壓下矯直工藝、小壓下矯直工藝和線性遞減矯直工藝都對板形的平直度有了一定的改善，其中大壓下工藝矯直后殘余浪高為23mm，小壓下工藝矯直后殘余浪高為28mm，線性遞減工藝矯直后殘余浪高為25mm。

圖5 各矯直工藝鋼板矯直前、后板形示意圖

2.2 矯直后殘余應力分布分析

選擇矯直后的鋼板作為研究對象，研究其距離頭部1 000mm處沿板寬方向的殘余應力分布規律。因為鋼板的長度方向尺寸要遠大于寬度方向尺寸，因此沿著軋向的殘余應力分布對板形的影響會更加顯著。各矯直工藝矯直后的軋向殘余應力分布如圖6所示。

圖6 各矯直工藝矯直后殘余應力分布圖

從圖6中可以看出，當壓下量很大時，矯直后鋼板的縱向殘余應力的數值和波動都很大。壓下量降低到線性遞減矯直工藝和小壓下矯直工藝之后，鋼板的殘余應力分布更均勻。沿著板寬方向不均勻分布的縱向應力，可以導致鋼板沿著矯直方向發生瓢曲。殘余應力可以代表鋼板的隱性板形，即可以代表鋼板在矯直后再瓢曲的趨勢。因此，大壓下矯直工藝矯直后的鋼板，其再次發生瓢曲的可能性要大于小壓下矯直工藝和線性遞減矯直工藝，小壓下矯直工藝和線性遞減矯直工藝更有利于改善鋼板的隱性板形。綜合矯直后顯性板形和隱性板形的結果可以看出，線性遞減矯直工藝矯直后的鋼板的顯性板形和隱性板形均較好；大壓下矯直工藝矯直后雖有較好的顯性板形，發生再次瓢曲的可能性仍較大；小壓下矯直工藝不能很好的改善高強鋼板的顯性板形。

2.3 不同矯直工藝矯直力分析

選擇矯直輥3作為研究對象，線性遞減矯直工藝作為研究的工藝，得到矯直輥矯直力隨時間的變化過程，如圖7所示。從圖7中可以看出，在鋼板咬入矯直輥的2個過程中，矯直力較小，其余時刻矯直力基本位于800kN左右波動且較穩定。其他各輥趨勢相同。

圖7 矯直過程工作輥矯直力隨時間變化圖

對不同矯直輥的最大值進行統計，得到不同矯直工藝各矯直輥最大矯直力分布情況，如圖8所示。從圖8中可以看出，3種矯直方法的最大矯直力均出現在第3輥及第4輥，這與第2輥的壓下量最大不符。但是考慮到初始板形的問題，初始板形是一個上翹的形狀，而第2輥的最大壓彎方向，正好與此方向相同，所以第2輥實際并非是最大變形的所在，而最大變形正好出現在第3輥與第4輥處，正是這種最大反彎的出現，使得最大矯直力出現在第3輥及第4輥處，其他各輥隨著壓下量的減少以及鋼板的殘余變形的減小逐漸降低。

圖8 各矯直工藝最大矯直力分布示意圖

從最大矯直力的數值上看，大壓下矯直工藝的最大矯直力為1 160kN，線性遞減矯直工藝的最大矯直力為960kN，小壓下矯直工藝的最大矯直力為1 050kN。對于單個矯直輥來說，矯直力越小，越有利于保護矯直輥。計算矯直機所有矯直輥矯直力總和，大壓下矯直工藝為9 740kN，線性矯直工藝為8 230kN，小壓下矯直工藝為8 020kN。對于整個矯直機而言，總體矯直力越低，越有利于降低設備負荷。由此可見，線性矯直工藝的最大矯直力最低，這對于矯直機保護矯直輥有一定意義，而矯直力總和方面，線性矯直工藝和小壓下矯直工藝都比大壓下矯直工藝要低，這對于現場生產中矯直機矯直力不足來說有很大的借鑒意義。

3 結語

綜上所述可以得出以下結論。

1）大壓下矯直工藝矯直后的鋼板，顯性板形改善最多，其次為線性遞減矯直工藝和小壓下矯直工藝。

2）綜合考慮鋼板的顯性板形和隱性板形，應當選用入口壓下量11.0mm、出口壓下量2.3mm的線性遞減矯直工藝進行矯直。

3）把大壓下矯直工藝改為線性遞減矯直工藝，不僅可以保證板形良好、殘余應力數值較小且分布均勻，而且矯直機的總矯直力也降低了1 510kN，有利于保護矯直機，提高生產安全性和穩定性。

［1］張春麗，楊曉臻，賀佳，等.熱軋鋼板矯直工藝的有限元分析［J］.寶鋼技術，2008（1）：38－41.

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