冷軋不銹鋼管殘余應(yīng)力有限元模擬分析

蘇 寧， 張志遠(yuǎn)， 朱永霞

（中國(guó)兵器工業(yè)第二〇八研究所， 北京 102202）

目前我國(guó)正在從鋼鐵大國(guó)走向鋼鐵強(qiáng)國(guó)，如何提高鋼鐵產(chǎn)品的科技含量，增加高端產(chǎn)品在出口中的份額是轉(zhuǎn)型能否成功的一個(gè)關(guān)鍵[1,2]。冷軋無(wú)縫鋼管由于其優(yōu)異的特性而廣泛應(yīng)用于石油、鍋爐、航空航天以及國(guó)防等工業(yè)領(lǐng)域，連續(xù)多年以來(lái)中國(guó)的無(wú)縫鋼管生產(chǎn)量和消費(fèi)值達(dá)到世界之首，無(wú)縫鋼管年產(chǎn)量最高可以達(dá)到4500萬(wàn)t，占全世界無(wú)縫鋼管產(chǎn)量的70%左右[3,4]。其中由于304不銹鋼管杰出的耐腐蝕性能和抗晶間腐蝕性能，它的防銹性能要高于很多其他系列，基于上述優(yōu)點(diǎn)304不銹鋼管得到大量應(yīng)用，主要用于食品用設(shè)備和化工設(shè)備等[5]。

1 模型的建立

本文以LG-60皮爾格冷軋管機(jī)為原型，利用ProE軟件繪制皮爾格冷軋三維模型，圖1為皮爾格冷軋三維模型，將該模型導(dǎo)入DEFORM-3D有限元分析軟件中。

圖1 皮爾格冷軋三維模型

2 模擬參數(shù)設(shè)置

材料參數(shù)可從DEFORM-3D本身自帶的材料庫(kù)中提取，冷軋前管坯外徑為Φ67 mm，壁厚為6 mm，冷軋后鋼管理論外徑為Φ38 mm，壁厚為3 mm，送進(jìn)量選10 mm，回轉(zhuǎn)角度選60°，其他基本參數(shù)如表1所示。

表1 軋制工藝參數(shù)

因?yàn)檐埡蟪善饭鼙诤駷? mm，所以通過(guò)DEFORM中的絕對(duì)網(wǎng)格選項(xiàng)設(shè)定網(wǎng)格最大尺寸為3 mm，最大網(wǎng)格與最小網(wǎng)格尺寸比例為1.1∶1.0，以此保證軋后成品管壁厚最小的區(qū)域徑向方向上至少有一個(gè)網(wǎng)格。

皮爾格冷軋機(jī)在工作時(shí)，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程如：圖2為軋輥平移速度曲線，圖3為軋輥角速度曲線。

圖2 軋輥平移速度曲線

圖3 軋輥角速度曲線

3 模擬結(jié)果與分析

圖4 不同變形段管材外表面殘余應(yīng)力曲線

圖 4 中 4-1，4-2，4-3，分別為減徑段、壁厚壓下段、精整段截取截面。從圖中可以看出，在減徑段中管材外表面各點(diǎn)軸向殘余應(yīng)力基本上均為壓應(yīng)力，而周向殘余應(yīng)力則均表現(xiàn)為拉應(yīng)力且數(shù)值上大于軸向殘余應(yīng)力，最大值達(dá)到208 MPa。在壁厚壓下段中，管材外表面各點(diǎn)軸向殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，最大值不超過(guò)80 MPa，而周向殘余應(yīng)力在不同位置的應(yīng)力狀態(tài)是不斷變化的，殘余應(yīng)力值最大可達(dá)到280MPa。在精整段中管材外表面各點(diǎn)軸向殘余應(yīng)力都表現(xiàn)為拉應(yīng)力，除此之外，軸向殘余應(yīng)力在不同點(diǎn)處的方向是不相同的。對(duì)比不同階段的管材外表面等效殘余應(yīng)力可以看出，壁厚壓下段管材表面殘余應(yīng)力要大于其余兩個(gè)階段，其值在320 MPa到400 MPa之間波動(dòng)，而到達(dá)精整段軋制后，管材表面殘余應(yīng)力有明顯下降，最大殘余應(yīng)力值不超過(guò)300 MPa，說(shuō)明了在皮爾格軋制過(guò)程中，管材表面殘余應(yīng)力是不斷變化的。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)樵诒诤駢合码A段，管材本身變形量大且三向變形不規(guī)律，軋制中應(yīng)力值大、管材表面應(yīng)力不均造成的，而經(jīng)過(guò)多個(gè)周期回轉(zhuǎn)和軋制以及精整后，管材表面各點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)不斷變化以及管材金屬的相變引起了表面殘余應(yīng)力的減小[6]。

4 結(jié)論

1）利用DEFORM-3D有限元軟件對(duì)二輥皮爾格冷軋過(guò)程進(jìn)行了完整的模擬仿真，以皮爾格冷軋304不銹鋼管為例建立了三維有限元模型，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)條件對(duì)工藝參數(shù)、運(yùn)動(dòng)等關(guān)系進(jìn)行了設(shè)置。

2）通過(guò)有限元軟件后處理模塊對(duì)模擬過(guò)程中數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，對(duì)整個(gè)軋制過(guò)程中的殘余應(yīng)力進(jìn)行分析，得出結(jié)論：軋制過(guò)程中鋼管表面徑向無(wú)殘余應(yīng)力，在整個(gè)軋制過(guò)程中，鋼管表面等效殘余應(yīng)力是不斷變化的，經(jīng)過(guò)多個(gè)周期回轉(zhuǎn)軋制和精整后，鋼管表面等效殘余應(yīng)力有明顯減小。