弯辊力对带材板形影响的有限元分析

第一作者简介：张志强（1984—），男，太原科技大学材料科学与工程学院硕士研究生，就职于邯郸钢铁集团有限责任公司。Tel ：151********，E-mail ：zzqlj616@https://www.wendangku.net/doc/96937674.html,

板形控制是一个非常复杂的问题，这是由于板形影响因素的多元性、复杂性和非线性。为了获得良好的板形，必须综合协调各影响因素。因此对于板形理论的研究不仅是近50年来轧钢工艺理论的中心内容，而且是当前轧钢领域中最令人关注的课题。在冷轧薄带材领域，板形控制的研究更为重要。由于弯辊技术具有使轧辊瞬时凸度量在一定的范围内得到迅速的变化，且能连续进行调整，有利于实现自动调整板形的目的。因此，在人工调节控制法、冷却液控制法、压下倾斜控制法、液压弯辊法等纵多的板形控制方法中，弯辊应用最为广泛，也最为成功。但是，弯辊技术在冷轧窄带材方面应用得比较少，在这方面的模拟研究也较少，几乎为空白。

用数值模拟的方法进行数值仿真是近些年来理论研究的趋势，将有限元法应用于轧制过程的理论研究不但可以节省实验费用，而且因其高速性和可靠性可以对轧制过程中不易进行试验研究的课题进

行深入的探讨［1］

。

1模型介绍1.1

条件假设

基于冷轧过程中影响板形的主要条件，现对数

学模型做几点假设：一是忽略轧制过程中温度、润滑等外界环境对窄带钢板形的影响；二是假设窄带钢和轧辊内部的金属是各向同性；三是忽略弯辊缸轴承座与轧辊辊径之间的摩擦；四是忽略轧辊之间的

磨损［2］

；五是忽略辊径的弯曲变形。

1.2几何建模

几何模型是根据实验室300mm 可逆式冷轧机的实际尺寸建立的。

几何参数：支撑辊辊身长为300mm ，辊身直径为200mm ；工作辊辊身长为300mm ，辊身直径为100mm ；带钢入口厚度为0.42mm ，入口宽度为220mm 。

充分考虑生产实际情况，根据研究需要，适当删减机架、轴承座以及其他的零部件。在有限元模拟轧制板带过程中，为了节省计算时间，可以把轧机看作上下以板厚为中心对称，左右以轧机辊系为中心对称，故建模时采用了辊系结构的1/4作为计算模型，这样可减少单元数和节点数。

模型参数采用拉格朗日法大变形弹塑性有限元模型；材料服从Von-Mises 屈服准则；摩擦条件选用

针对轧制问题的库仑摩擦［3-5］

。

1.3网格划分

由于实体模型不能参与有限元分析，所有施加

在实体模型边界上的载荷或约束必须最终传递到有限元模型上（节点或单元上）进行求解，因此模型计算结果的准确性很大程度上取决于网格划分的质量，网格太多会浪费计算机的资源，会使计算时间延长；网格太大或太少，在计算时网格容易发生畸变或负体积，致使计算终止。本文使用八节点六面体单元对模型进行网格划分，根据轧件和工作辊、工作辊和支撑辊的结构关系，对轧件、工作辊和支撑辊的接触表面进行网格细化，有限元模型见下页图1所示。1.4

轧制条件

为了使计算结果更为精确，带钢和轧辊的物理

性能和轧制条件基本按照实际情况选取［6］。支撑辊

弯辊力对带材板形影响的有限元分析

张志强1，2

，李宏杰2，黄庆学2，贾振红2

（1.邯郸钢铁集团有限责任公司河北邯郸056015；

2.太原科技大学山西省冶金设备设计理论及技术重点实验室，山西太原

030024）

摘

要：应用有限元ANSYS/LS-DYNA 软件,建立了300mm 可逆式冷轧机弯辊模型，模拟了在同一轧制条件

下不同弯辊力对板形和工作辊弯曲变形的影响。通过对模拟结果的分析，给出了比较理想的弯辊力值，对以后的生产实践具有一定的指导意义。关键词：带材

板形

弯辊力

有限元

中图分类号：O241.82

文献标识码：A

收稿日期：2012-02-

29

文章编号：1672-1152（2012）02-0008-03

总第136期2012年第2期

山西冶金

SHANXI M ETALLURGY Total 136No.2，2012

和工作辊辊身视为弹性体，由于辊径在轧制过程中相对于辊身的挠曲变形很小，一般可以忽略不计，视为刚性体。本文采用glue 命令，把辊径和辊身黏贴为一体，支承辊辊身由辊径带其转动，支撑辊辊径线速度为20mm/s 。工作辊靠与支承辊之间的摩擦来旋转。

轧件为弹塑性体，材质为Q195，其物理性能参数如表1所示，

应力应变曲线如图2所示［7］

。2模拟结果

众所周知，弯辊力对带材的板凸度影响很大，因

此主要模拟了窄钢带在同一轧制工艺条件下不同弯辊力对板凸度的影响，弯辊力分别为：0，4，8.5，12kN 。2.1不同弯辊力对窄带钢出口厚度的影响

模拟轧制板宽为220mm 的带钢，运用ANSYS 软件自带的后处理器LS-PREPOST ，在带钢表面选取12个节点,可得到弯辊力与带钢出口厚度的关

系，如图3所示。

由图3可以看出，弯辊力对于带钢横截面形状的影响很明显。在弯辊力为0（即不施加弯辊力）时，带钢横截面厚度变化为：从中部到边部逐渐增大，在中部中心区厚度变化量很小，而在距离带钢边部约48mm 处，

开始出现边部减薄现象，厚度变化量明显，此区称为边部减薄区；在距离带钢边部大约25mm 处，厚度减薄量迅速加大，厚度变化量非常明

显。与前者相比，在施加弯辊力为4kN 时，带钢横截面中心厚度几乎没有变化，但是边部减薄现象略有缓解；在施加弯辊力为8.5kN 时，带钢横截面厚度变化量很小，形状比较良好；当弯辊力施加到12kN 时，带钢横截面中心厚度继续减小，边部减薄区厚度明显增大。这一结论与文献［2］和文献［3］的结论略有相勃，文献［2］和文献［3］得出的结论是随着弯辊力的增加，带钢中心区的厚度由逐渐减小变为逐渐增加。

经过分析，文献［2］模型和文献［3］模型都属于宽板轧制模型。板宽和工作辊辊身长度与本文模型相对应的参数相差很大，文献［3］模型工作辊辊身长度为1510mm ，

板宽为1230mm ；文献［2］模型工作辊辊身长度为2450mm ，板宽为1430mm 。下页图4是以文献［3］模型弯辊力为400kN 时建立的受力示意图。

由于带钢的加工硬化，B 区带钢变薄比较困难，形成一个难变形区，在此区域内可以找到一点，此点类似于杠杆的支点，通过F 2，F 3（此力为

A 区金属流动速度小于

B 区形成的）以及此支点，利用杠杆原理不难发现随着弯辊力的增大，带钢中心区的厚度由逐渐减小变为逐渐增大的原因。本文的300模型由于辊身长度是文献［3］模型的1/5，其

图1

有限元模型

表1

模型物理性能参数

轧辊

轧件

弹性模量/MPa 2.1

×105

弹性模量/MPa 2.06×105

轧制速度/(mm ·s -1）

40延伸率/%≤4摩擦系数0.15屈服强度/MPa

195泊松比

0.3

泊松比

0.3

图2Q195应力应变曲线

σ/M P a

300250200150100500

0.04

0.08

0.12

0.14

0.16

ε

图3距带钢中心距离与带钢出口半横向厚度的关系

带钢出口半横向厚度/m m

0.202

0.2000.1980.1960.1940.192

020

406080

100120

弯辊力0

弯辊力4kN 弯辊力8.5kN 弯辊力12kN

距带钢中心距离/mm

张志强，等：弯辊力对带材板形影响的有限元分析

2012年第2期9··

相对刚度就比较大，很难出现难变形区，所以很容易理解由此模型计算出来的结果。因此，从带钢横截面厚度一致性上考虑,在轧制宽度为220mm 带钢时,理想的弯辊力可选择8.5kN 左右。2.2

不同弯辊力对工作辊弯曲的影响

在轧制带钢过程中，对工作辊轴承座施加弯辊力之后，工作辊会发生一定的挠曲变形，为了便于观察不同弯辊力对工作辊的挠曲变形，并分析其变形特征，用ANSYS 的后处理器LS-PREPOST 在工作辊转动轴线上选取16个节点,通过各节点的纵向位移，来比较不同弯辊力对工作辊的弯曲变形。

带钢在轧辊的压力作用下产生塑性变形，但带钢同时给予轧辊反作用力，使轧辊发生弯曲变形。从图5中可以看出弯辊力为0（即没有施加弯辊力）时，工作辊中部产生较大的弹性弯曲，其边部弯曲变形更为严重，这是产生边部减薄现象的直接原因。为了消除这种现象，应逐步加大弯辊力。随着弯辊力的逐渐增大，工作辊的弯曲变形有了明显的变化。当弯辊力达到12kN 时，在板宽以外的工作辊区域出现了边部翘曲，由图5可知，在弯辊力为8.5kN 时，工作辊曲线在板宽区域内比较平缓；在弯辊力为12kN 时，工作辊轴线为正弯曲，致使带钢中心厚度比目标值略有减小。因此，稳定轧制宽度为220mm 带钢时，最佳的弯辊力应该在8.5kN 左右。

3结论

1）根据300mm 四辊可逆式板带冷轧机的实际参数，运用显示动力学有限元软件ANSYS/LS-DYNA 建立了轧辊和轧件耦合为一体的有限元轧制模型，并对其冷轧过程进行了数值模拟。分析了在工作辊两端施加弯辊力对轧后窄带钢板形的影响以及对工作辊变形的影响，得出窄带材轧制弯辊力对板形的

影响不同于宽板轧制，为研究窄带材轧制提供了一定的依据。

2）通过分析在同一轧制工艺条件下，不同弯辊力对轧件轧后板形的影响表明：在改善变形方面，弯辊系统是一种很好的板形控制手段。适当地增加弯辊力，会使带钢中心厚度减小，在一定程度上缓解了边部减薄现象。

3）通过不同弯辊力对工作辊弯曲影响的分析表明：随着工作辊弯辊力的增大，工作辊弯曲变形由负弯曲变为正弯曲，变形过程与轧后带钢板形的变形规律是一致的。

参考文献

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湖南冶金，2003，33（5）：6-9.

［2］马超，张国强，赵德华，等.弯辊对带钢板形影响的模拟研究［J ］.

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［3］时旭，刘相华，王国栋，等.弯辊力对带钢凸度影响的有限元分

析［J ］.轧钢，2006，23（3）：10-13.

［4］时旭，刘相华，王国栋，等.四辊冷轧机轧辊弯曲和压扁变形的

有限元分析［J ］.东北大学学报（自然科学版），2004，25（10）：957-960.

［5］Z Y Jiang,A K Tieu,C Lu.A FEM M odelling of the Elastic

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［6］王新洲，付兴，时旭，等.四辊轧机辊系压扁的有限元分析［J ］.

塑性工程学报，2006，13（6）：83-86.

［7］晏宏山.板带轧机液压弯辊系统的建模与仿真［D ］.秦皇岛：

燕山大学，2010：5-105.

（编辑：胡玉香）F 1-弯辊力；F 2-工作辊与支承辊边部接触力；F 3-带钢中部对工作辊

的作用力；

A -中部区；

B -难变形区图4文献［3］模型受力示意图

F 1

F 2

F 2

F 1

F 3

B

A

B

图5距带钢中心距离与工作辊弯曲的关系

弯辊力0弯辊力4kN 弯辊力8.5kN 弯辊力12kN

工作辊弯曲变形量/m m

距带钢中心距离/mm

0.0040.002

0.000-0.002-0.004-0.006-0.008-0.010-0.012-0.014

-20

20

406080100120

140

160

（下转第53页）

第35卷

山西冶金E-mail:yejinsx@https://www.wendangku.net/doc/96937674.html,

10··

FEM Analysis of Effect of Bending Force on the Plate Shape of the Strip

ZhANG Zhiqiang 1,2，LI Hongjie 2，HUANG Qingxue 2，JIA Zhenhong 2

（1．Handan Iron ＆Steel Group Co.,Ltd.,Handan 056015,China;

2.Taiyuan University of Science and Technology,Shanxi Metallurgical Equipment Design Theory

and Technology Key Laboratory,Taiyuan

030024，China ）

Abstract:Applying the finite element software of ANSYS/LS -DYNA established the bending model of 300reversing cold rolling mill,simulated the different force of bending roll for the influence of the plate shape and the work roll bending deformation in the same rolling conditions.Through analyzing the simulation result,gave out the more ideal force of the bending force value,guided the future practical production.

Keywords:strip,plate shape,bending force,FEM

Application of Yulong Simulation Software in NC Speciality

QIN Weiwei

（Shanxi Engineering Vocational College,Taiyuan 030009，China ）

Abstract:This paper applied Yulong simulation software to selecting NC machine,defining and

installing workpiece,entering the program,installing the tool,setting tool,automatic processing for case analysis and operating NC machining process simulation on the computer.Key words:NC simulation,defineing workpiece,setting tool

图9测量参数输入图8测量对话框1.8自动加工

单击键盘上“PROG ”键，再单击操作面板上

“自动运行”键。再单击操作面板上的“循环启动”键，机床会自动加工，加工后的工件如图10所示。2结语

数控仿真软件使原来需要在数控设备上才能完成的大部分功能可以在虚拟制造环境中实现，大大

减少在数控设备上的资金投入，从而加快当前紧缺的数控加工操作人员的培训速度。

参考文献

［1］李桂云.宇龙数控仿真软件使用指导［M ］.北京：高等教育出

版社，2007.

［2］景海平，张武奎.数控加工仿真与实训［M ］.北京：人民邮电出

版社，2010.

（编辑：

苗运平）

图10零件成品

（上接第10页）

秦卫伟：宇龙数控仿真软件在数控专业教学中的应用实例

2012年第2期53··