棒材二輥矯直過程的有限元研究

王式研+陳敏+陳瑩卷

摘 要：利用有限元分析軟件ABAQUS對二輥矯直的矯直過程進行數值模擬，得到棒材在矯直過程的矯直力隨時間的變化規律，并對矯后棒材的塑性應變進行了分析。數值分析結果中矯直力與現場情況基本吻合，文章仿真結果可以為實際生產提供指導。

關鍵詞：有限元；二輥矯直；塑形應變

中圖分類號：TG333 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）03-0173-02

Abstract： The finite element analysis software ABAQUS was used to simulate the straightening process of two rollers， and the rule of the bar straightening force with time was obtained. The plastic strain of the straightened bar was analyzed. The results of numerical analysis show that the straightening force is basically consistent with the field situation， and the simulation results in this paper can provide guidance for practical production.

Keywords： finite element； two-roll straightening； plastic strain

引言

隨著國內機械行業的快速發展，人們對棒材的質量要求越來越高，因此，對于棒材的精整顯得尤為重要[1]。二輥矯直機與其他矯直機相比具有矯直精度高、結構簡單的優點而被廣泛采用[2][3]。棒材彎曲過程涉及到復雜的彈塑性大撓度彎曲變形問題，有限元方法對于研究復雜問題非常有效。

本文使用大型非線性有限元軟件ABAQUS對棒材二輥矯直過程進行數值模擬，分析了矯直過程中的矯直力以及矯直后的應力、應變和直線度等重要參數。數值模擬結果和現場數據基本吻合。

1 動力顯式有限元基本理論

動力顯式有限元基本方程為

Mu+Cu+p=F （1）

式中：M-質量矩陣；C-阻尼矩陣；p-內力矢量；■、■-節點速度、加速度矢量。

通常采用中心差分法求解上面方程。tn時刻的速度、加速度中心差分公式分別為：

（2）

（3）

把式（2）、式（3）代入式（1），就得到求解各離散時間點的遞推公式：

顯示算法方程非耦合，可以直接求解，所有非線性包含在內力矢量中，內力計算是最主要的部分，不需要做收斂檢查，但是要保持穩定狀態需要較小的時間步，是有條件穩定的，即時間步長必須小于由該問題求解方程性質根據Courant Friedrichs Levy穩定準則所決定的[4][5]。

2 有限元模型建立

2.1 有限元幾何模型

針對棒材二輥矯直機矯直過程，采用國內某鋼廠提供的工藝參數，利用大型非線性有限元軟件Abaqus建立有限元模型。

在工件建模的過程中，為了縮短計算時間和分析方便，模型中工件長度只取1m，工件初始撓度8mm/m，直徑40mm。

2.2 材料模型

矯直輥、推板、擋板、入口套筒和出口導槽，變形極小，故設定為剛體。棒材選擇16MnCr5鋼，密度？籽=7.85×10-9·mm-3，彈性模量E=210000MPa，泊松比？滋=0.3，棒材真實應力應變關系如表1所示。

2.3 邊界條件和網格劃分

模型的邊界條件設定完全參考現場矯直機實際矯直情況，在初始狀態時，各矯直輥沿自己的軸線空轉，沿軋制方向分速度為25m/min。棒材與各矯直輥的摩擦系數0.2；設置棒材與擋板、入口套筒和出口導槽為徑向無摩擦接觸。棒材單元選擇線性六面體單元C3D8R。

3 結果分析及討論

3.1 矯直力分析

仿真計算時需確保該運動過程為理想準靜態過程，在整個二輥矯直過程中上下輥的支反力隨時間變化曲線如圖1所示。從圖1中可以看出隨著棒材的逐漸咬入，矯直力逐漸增大，在0.469s處達到最大值，此時棒材端部剛剛通過矯直輥的中間段，說明此時才開始對棒材進行彎曲，而此時由于棒材具有一定初速度的沖擊作用，導致矯直力偏大，隨著進入穩定矯直階段，矯直力有所降低，并且在穩定矯直階段矯直力比較穩定。在矯直過程的末端，隨著棒材尾部逐漸走出輥縫，矯直力也隨之減小，最大矯直力為470kN。

3.2 應變分析

二輥矯直過程中最需要關注的是棒材的塑性應變情況，其關乎棒材是否能夠矯直，因此對矯直過程中不同時段棒材的等效塑性應變分布進行分析。從圖2（a）可以看出，棒材剛咬入輥縫時，發現只有棒材頭部與矯直輥接觸區域發生塑性變形。由于棒材具有初速度，在咬入時棒材頭部容易發生應力集中。圖2（b）為棒材通過輥縫中段時，此時棒材頭部已經發生較大的變形。

圖2（c）和圖2（d）分別為棒材穩定矯直階段、棒材矯直后的等效塑性應變分布，從中我們可以看出進入穩定矯直階段，棒材發生更大變形，同時已經矯直段的等效塑性應變分布均勻；出料后棒材頭部的塑性應變較大，尾部的塑性應變較小，中間區域塑性應變分布均勻。頭部塑性應變較大是由于初速度過大造成的，而尾部變形小是由于在實際矯直過程中由于輥縫參數設置大于棒材的直徑，從而造成了棒材的兩端在通過矯直輥時未發生彎曲，該區域也是二輥矯直的盲區。

4 結束語

（1）通過有限元模型分析了棒材矯直過程中的矯直力隨時間變化規律，得出了棒材咬入時矯直力最大的結果，可以為矯直機的強度設計提供參考。

（2）分析了矯直過程及矯直后的等效塑性應變情況，得到了棒材的塑形應變云圖。

參考文獻：

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[2]王云.棒材二輥矯直過程及關鍵技術研究[D].燕山大學，2013.

[3]馬自勇，馬立峰.棒材高精度二輥矯直質量控制策略研究[J].機械工程學報，2017，03.

[4]莊茁，等.基于ABAQUS的有限元分析和應用[M].北京：清華大學出版社，2009，1.

[5]尹紀龍，李大永，等.動力有限元法輥彎成形全流程仿真技術研究[J].塑性工程學報，2006，13（1）：36-39.

[6]王式研，馬立東，陳敏.斜輥鋼管矯直過程的數值模擬與接觸狀態分析[J].科技創新與應用，2016（35）：68-69.

[7]孫維陽，王孝海.輥式型鋼矯直機的機械結構分析[J].科技創新與應用，2014（31）：107.endprint