D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.02.006 第30卷第2期 北京科技大学学报 Vol.30 No.2 2008年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feh.2008 H型钢万能轧制过程中金属流动的有限元分析 马光亭)减勇) 朱国明)康永林2) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要采用显示动力学有限元软件LS-DYNA,结合生产实际，对H型钢万能轧制进行了仿真计算，在仿真结果的基础上， 根据轧制平面内的节点位移矢量分布情况，分析了轧件断面内金属流动规律.仿真结果显示轧件断面内在立辊和平辊压下方 向上存在“零位移线”，说明在H型钢万能轧制过程中，在立辊和平辊压下方向上轧件内金属流动存在“位移中性面”，并伴有 翼缘端部金属流动产生“内翻”的情况 关键词H型钢；万能轧制：金属流动：仿真分析；中性面 分类号TG335.7 Finite element analysis of metal flow during H-beam rolling by a universal mill MA Guangting),ZA NG Yong),ZHU Guoming?),KANG Yonglin2) 1)School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China 2)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT The dynamic explicit finite element software LS-DYNA was used to numerically simulate H-beam rolling by a universal mill.The metal flow pattern in a workpiece was studied with the simulation results of node displacement in the rolling plane.It is shown that there are zero displacement lines in the workpiece in the horizontal and vertical rollers depress direction,which indicate that there is a neutral flow plane of displacement,in company with metal inversion phenomenon at the flange s end. KEY WORDS H-beam:universal rolling:metal flow simulation analysis:neutral plane 随着我国H型钢产业的不断发展，需求量的不 了有限元仿真建模的研究.Yanajimoto等[门针对轧 断增多，计算机仿真分析在H型钢轧制过程中的应 制技术创新开发了称为CORMILL的有限元仿真 用也逐渐深入并普及，特别是在孔形设计的优化、产 系统，其在H型钢轧制过程的仿真上得到成功应 品尺寸的预估以及工艺优化等方面都有着广泛的 用.臧勇、王会刚、高燕等人[0则对H型钢辊式 应用 矫直问题进行了仿真研究， 有关H型钢的仿真分析近来在国内有多篇文 以上工作虽对H型钢压力加工过程的研究起 章发表，其中奚铁山、曹杰等借助有限元分析软 到了很好的推进作用，但仍不能适应工业生产的需 件Super Form对H型钢开坯轧制及万能轧制过程 求，有多个问题有待研究，主要是轧制过中的金属流 进行了模拟：罗双庆等)借助有限元软件Marc完 动和缺陷形成问题、矫直过程参数的合理设置及型 成了H型钢开坯过程中单道次的热力耦合仿真分 钢变形和应力的遗传特性等，本文通过采用AN- 析，研究了金属流动规律：徐旭东等可利用有限元 SYS/LS-DYNA有限元软件，结合某公司H型钢生 对H型钢轧制及轧后冷却过程，进行二维温度场的 产线的生产实际情况，针对H型钢的万能轧制过程 模拟，同时采用显式动力学有限元分析的方法，模 进行了仿真计算，深入分析了万能轧制过程中的金 拟了不同变形参数下H型钢轧制力的变化·段明 属流动情况，为孔型设计提供技术支持· 南、臧勇等]针对H型钢万能轧制过程特点，进行 1模型与边界条件 收稿日期：2006-11-21修回日期：2007-05-08 1.1显示动力学有限元基本理论 作者简介：马光亭(1968-)，男，博士研究生：藏勇(1963-)，男， 在动力学有限元分析中，系统的求解方程可用 教授，博士生导师 下式描述：
H 型钢万能轧制过程中金属流动的有限元分析 马光亭1） 臧 勇1） 朱国明2） 康永林2） 1） 北京科技大学机械工程学院北京100083 2） 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 摘 要 采用显示动力学有限元软件 LS-DYNA结合生产实际对 H 型钢万能轧制进行了仿真计算．在仿真结果的基础上 根据轧制平面内的节点位移矢量分布情况分析了轧件断面内金属流动规律．仿真结果显示轧件断面内在立辊和平辊压下方 向上存在“零位移线”说明在 H 型钢万能轧制过程中在立辊和平辊压下方向上轧件内金属流动存在“位移中性面”并伴有 翼缘端部金属流动产生“内翻”的情况． 关键词 H 型钢；万能轧制；金属流动；仿真分析；中性面 分类号 TG335∙7 Finite element analysis of metal flow during H-beam rolling by a universal mill MA Guangting 1）ZA NG Yong 1）ZHU Guoming 2）KA NG Yonglin 2） 1） School of Mechanical EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） School of Materials Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT T he dynamic explicit finite element software LS-DYNA was used to numerically simulate H-beam rolling by a universal mill．T he metal flow pattern in a workpiece was studied with the simulation results of node displacement in the rolling plane．It is shown that there are zero displacement lines in the workpiece in the horizontal and vertical rollers’depress directionwhich indicate that there is a neutral flow plane of displacementin company with metal inversion phenomenon at the flange’s end． KEY WORDS H-beam；universal rolling；metal flow；simulation analysis；neutral plane 收稿日期：2006-11-21 修回日期：2007-05-08 作者简介：马光亭（1968—）男博士研究生；臧 勇（1963—）男 教授博士生导师 随着我国 H 型钢产业的不断发展需求量的不 断增多计算机仿真分析在 H 型钢轧制过程中的应 用也逐渐深入并普及特别是在孔形设计的优化、产 品尺寸的预估以及工艺优化等方面都有着广泛的 应用． 有关 H 型钢的仿真分析近来在国内有多篇文 章发表其中奚铁［1］、曹杰［2］ 等借助有限元分析软 件 Super Form 对 H 型钢开坯轧制及万能轧制过程 进行了模拟；罗双庆等［3］ 借助有限元软件 Marc 完 成了 H 型钢开坯过程中单道次的热力耦合仿真分 析研究了金属流动规律；徐旭东等［4—5］利用有限元 对 H 型钢轧制及轧后冷却过程进行二维温度场的 模拟同时采用显式动力学有限元分析的方法模 拟了不同变形参数下 H 型钢轧制力的变化．段明 南、臧勇等［6］针对 H 型钢万能轧制过程特点进行 了有限元仿真建模的研究．Yanajimoto 等［7］针对轧 制技术创新开发了称为 CORMILL 的有限元仿真 系统其在 H 型钢轧制过程的仿真上得到成功应 用．臧勇、王会刚、高燕等人［8—10］ 则对 H 型钢辊式 矫直问题进行了仿真研究． 以上工作虽对 H 型钢压力加工过程的研究起 到了很好的推进作用但仍不能适应工业生产的需 求有多个问题有待研究主要是轧制过中的金属流 动和缺陷形成问题、矫直过程参数的合理设置及型 钢变形和应力的遗传特性等．本文通过采用 ANSYS／LS-DYNA 有限元软件结合某公司 H 型钢生 产线的生产实际情况针对 H 型钢的万能轧制过程 进行了仿真计算深入分析了万能轧制过程中的金 属流动情况为孔型设计提供技术支持． 1 模型与边界条件 1∙1 显示动力学有限元基本理论 在动力学有限元分析中系统的求解方程可用 下式描述： 第30卷 第2期 2008年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．2 Feb．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．02．006
.166 北京科技大学学报 第30卷 Ma(t)+ca(t)+Ka(t)=Q(t) (1) 解方程的性质所决定的某一临界值△tcr·△tc可以 式中，a(t)和a(t)分别是系统的节点加速度向量 由下式做出估计： 和节点速度向量，M、C、K和Q(t)分别是系统的 △ter=lmin/Ep/(l-u) (5) 质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和节点载荷向量， 式中，lmim是最小单元长度，E是材料弹性模量，P是 在LS-DYNA中，采用直接积分法中的中心差 材料密度，“是泊松比 分格式对运动方程进行积分·在中心差分法中，加 1.2有限元模型 速度和速度可以用位移来表示： 某公司大型H型钢生产线生产的HN600×200 1 a,-(a-a,-2a+a+a) (2) 的H型钢产品，采用近终型异型连铸坯，首先经过 两辊BD轧机往复开坯轧制，后经UR E UF机组 a,=d(-a-as,ta+a） (3) 往复连轧，本文为研究万能轧制过程，从BD开坯后 将式(2)、(3)式带入(1)式后，得到各离散时间点解 进行仿真分析· 的递推公式： 根据H型钢万能轧制的特点，进行1/4对称简 +2 化，轧辊采用钢性辊，仅提取辊面进行离散；轧件采 用双线性等向强化材料，采用八节点六面体进行离 -KMa-3M-26ga- 散.图1和图2分别是UR E UF机组轧机的孔型 及来料断面尺寸，离散后的UR机架有限元模型显 (4) 示如图3，有限元模型建立的过程中，全局坐标系下 由于中心差分法是条件稳定算法，利用它求解 的Z轴方向为轧制方向，Y轴为平辊压下方向，X 具体问题时，时间步长△必须小于由该问题的求 轴为立辊压下方向， UF轧机 UF轧机 B ◆980 B 中980 水平 轧边机 水平 00g 图1 UR E-UF机组轧机孔型 Fig.1 Dimension of UR E UF tandem pass 564 45 783.2 图2坯料断面图（单位：mm) Fig-2 Sectional drawing of a billet (unit:mm) 1.3基本计算参数 在仿真分析的过程中，假设轧件的温度不变，轧 图3有限元模型 辊采用钢性辊，轧辊与轧件之间采用罚刚度法定义 Fig.3 Finite element model 接触，采用库伦摩擦，仿真分析中的基本参数如下： 在本文的仿真操作过程中采用了中间道次模型 轧件密度，7.8Mgm3;弹性模量，1.2X105MPa; 重建方法[门，将连轧过程分为三个计算单元进行处 泊松比，0.33；屈服强度，109MPa;材料模型，双线 理(UR、E、UF三部分)，不考虑各道次轧后轧件的 性等向强化.其他参数见表1. 残余应力，轧制程序见表2，由于本文主要分析万
M a ·· （ t）＋C a · （ t）＋ Ka（ t）＝ Q（ t） （1） 式中a ·· （ t）和 a · （ t）分别是系统的节点加速度向量 和节点速度向量M、C、K 和 Q（ t）分别是系统的 质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和节点载荷向量． 在 LS-DYNA 中采用直接积分法中的中心差 分格式对运动方程进行积分．在中心差分法中加 速度和速度可以用位移来表示： a ·· t＝ 1 Δt 2（ at—Δt—2at＋ at＋Δt） （2） a · t＝ 1 2Δt （— at—Δt＋ at＋Δt） （3） 将式（2）、（3）式带入（1）式后得到各离散时间点解 的递推公式： 1 Δt 2 M＋ 1 2Δt C at＋Δt＝ Qt— K— 2 Δt 2 M at— 1 Δt 2 M— 1 2Δt C at—Δt （4） 由于中心差分法是条件稳定算法利用它求解 具体问题时时间步长 Δt 必须小于由该问题的求 解方程的性质所决定的某一临界值Δtcr．Δtcr可以 由下式做出估计： Δtcr＝ lmin／ Eρ／（1—βμ2） （5） 式中lmin是最小单元长度E 是材料弹性模量ρ是 材料密度μ是泊松比． 1∙2 有限元模型 某公司大型 H 型钢生产线生产的 HN600×200 的 H 型钢产品采用近终型异型连铸坯首先经过 两辊 BD 轧机往复开坯轧制后经 UR—E—UF 机组 往复连轧．本文为研究万能轧制过程从BD 开坯后 进行仿真分析． 根据 H 型钢万能轧制的特点进行1／4对称简 化．轧辊采用钢性辊仅提取辊面进行离散；轧件采 用双线性等向强化材料采用八节点六面体进行离 散．图1和图2分别是 UR—E—UF 机组轧机的孔型 及来料断面尺寸离散后的 UR 机架有限元模型显 示如图3．有限元模型建立的过程中全局坐标系下 的 Z 轴方向为轧制方向Y 轴为平辊压下方向X 轴为立辊压下方向． 图1 UR—E—UF 机组轧机孔型 Fig．1 Dimension of UR—E—UF tandem pass 图2 坯料断面图（单位：mm） Fig．2 Sectional drawing of a billet （unit：mm） 1∙3 基本计算参数 在仿真分析的过程中假设轧件的温度不变轧 辊采用钢性辊轧辊与轧件之间采用罚刚度法定义 接触采用库伦摩擦．仿真分析中的基本参数如下： 轧件密度7∙8Mg·m —3 ；弹性模量1∙2×105 MPa； 泊松比0∙33；屈服强度109MPa；材料模型双线 性等向强化．其他参数见表1． 图3 有限元模型 Fig．3 Finite element model 在本文的仿真操作过程中采用了中间道次模型 重建方法［7］将连轧过程分为三个计算单元进行处 理（UR、E、UF 三部分）不考虑各道次轧后轧件的 残余应力．轧制程序见表2．由于本文主要分析万 ·166· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第2期 马光亭等：H型钢万能轧制过程中金属流动的有限元分析 167. 能轧制，轧边机计算的主要目的是为UF提供坯料 2仿真结果及分析 变形后的计算模型，这里不进行着重分析， 在仿真结果的基础上，提取万能轧制过程中稳 表1基本参数 定轧制阶段的节点位移矢量，显示断面金属的流动 Table 1 Parameters in simulation 情况，其中包括平辊压下方向的位移和立辊压下方 轧辊 传动方式 材料 向的位移，图4是平辊压下方向的位移矢量图，图5 平辊 主动 刚性辊 是立辊压下方向的位移矢量图，可以看出，在万能 立辊 从动 刚性辊 轧制过程中，金属流动情况非常复杂，横断面内不同 接触对 接触方式 摩擦方式 摩擦因数 位置的质点的位移大小、方向各不相同，在平辊压 平辊与轧件 面对面 库伦摩擦 0.35(静摩擦) 下和立辊压下方向上的金属流动除对称面之外的其 立辊与轧件 面对面 库伦摩擦 0.35(静摩擦) 他部位出现了“零位移线”. 表2轧制规程表 2.1平辊压下方向的金属流动规律及其分析 Table 2 Rolling schedule 通过图4可以看出：平辊压下方向的“零位移 计算 水平辊辊 翼缘厚 轧辊转速/ 线”出现在翼缘部位.翼缘外侧的金属向翼缘端部 机架 单元 缝值/mm 度/mm (r'min 1) 流动，这种现象主要是由于立辊的压下促使翼缘宽 1 UR 42.0 90.3 49.7 展所致；而翼缘内侧的金属出现向下（腰腿连接部 2 53.0 81.1 位)流动的趋势，存在“内翻现象.这主要是由于轧 3 UF 38.2 82.2 54.3 件变形区内金属与平辊侧面存在向下的摩擦力和平 (a) (b) UR UF A LX 零位移线 Lx 零位移线 图4Y方向位移矢量图.(a)UR计算结果：(b)UF计算结果 Fig.4 Vector diagram of displacement in Y direction:(a)UR stand:(b)UF stand (a) (b) UR UF Lx 零位移线 零位移线 图5X方向位移矢量图.(a)UR计算结果：(b)UF计算结果 Fig.5 Vector diagram of displacement in X direction:(a)UR stand:(b)UF stand 辊侧面径向存在速度差造成的，在万能轧制工艺 与翼缘外侧的轧制相当于平板轧制，翼缘外侧的金 中，轧边机的主要作用就是消除上述现象对翼缘端 属变形遵从平板轧制规律，金属向边部自由宽展， 部的影响， 翼缘内外两侧的金属分别向相反的方向流动，必然 图6是是H型钢万能轧制的一个分析简图，通 会有一条不产生流动的“中性线”，用数值方法分析 过分析可知翼缘内侧金属的轧制状态类似孔型轧制 时，可以称之为“零位移线”.该“零位移线”可用于 的侧壁压下：翼缘内表面金属与平辊辊面侧壁接触， 分析万能轧制时翼缘部分两种轧制状态的分界线， 两者之间产生一定的粘着作用，在平辊旋转的作用 2.2立辊压下方向的金属流动规律及其分析 下，与翼缘内侧接触的平辊侧面上质点均有向压下 分析立辊压下方向的金属流动可以发现：在该 方向的速度分量，带动翼缘内侧金属向下流动；立辊 方向上存在多条“零位移线”，并具有一定的规律性
能轧制轧边机计算的主要目的是为 UF 提供坯料 变形后的计算模型这里不进行着重分析． 表1 基本参数 Table1 Parameters in simulation 轧辊 传动方式 材料 平辊 主动 刚性辊 立辊 从动 刚性辊 接触对 接触方式 摩擦方式 摩擦因数 平辊与轧件 面对面 库伦摩擦 0∙35（静摩擦） 立辊与轧件 面对面 库伦摩擦 0∙35（静摩擦） 表2 轧制规程表 Table2 Rolling schedule 计算 单元 机架 水平辊辊 缝值／mm 翼缘厚 度／mm 轧辊转速／ （r·min —1） 1 UR 42∙0 90∙3 49∙7 2 E 53∙0 — 81∙1 3 UF 38∙2 82∙2 54∙3 2 仿真结果及分析 在仿真结果的基础上提取万能轧制过程中稳 定轧制阶段的节点位移矢量显示断面金属的流动 情况其中包括平辊压下方向的位移和立辊压下方 向的位移．图4是平辊压下方向的位移矢量图图5 是立辊压下方向的位移矢量图．可以看出在万能 轧制过程中金属流动情况非常复杂横断面内不同 位置的质点的位移大小、方向各不相同．在平辊压 下和立辊压下方向上的金属流动除对称面之外的其 他部位出现了“零位移线”． 2∙1 平辊压下方向的金属流动规律及其分析 通过图4可以看出：平辊压下方向的“零位移 线”出现在翼缘部位．翼缘外侧的金属向翼缘端部 流动这种现象主要是由于立辊的压下促使翼缘宽 展所致；而翼缘内侧的金属出现向下（腰腿连接部 位）流动的趋势存在“内翻”现象．这主要是由于轧 件变形区内金属与平辊侧面存在向下的摩擦力和平 图4 Y 方向位移矢量图．（a） UR 计算结果；（b） UF 计算结果 Fig．4 Vector diagram of displacement in Y direction：（a） UR stand；（b） UF stand 图5 X 方向位移矢量图．（a） UR 计算结果；（b） UF 计算结果 Fig．5 Vector diagram of displacement in X direction：（a） UR stand；（b） UF stand 辊侧面径向存在速度差造成的．在万能轧制工艺 中轧边机的主要作用就是消除上述现象对翼缘端 部的影响． 图6是是 H 型钢万能轧制的一个分析简图．通 过分析可知翼缘内侧金属的轧制状态类似孔型轧制 的侧壁压下：翼缘内表面金属与平辊辊面侧壁接触 两者之间产生一定的粘着作用在平辊旋转的作用 下与翼缘内侧接触的平辊侧面上质点均有向压下 方向的速度分量带动翼缘内侧金属向下流动；立辊 与翼缘外侧的轧制相当于平板轧制翼缘外侧的金 属变形遵从平板轧制规律金属向边部自由宽展． 翼缘内外两侧的金属分别向相反的方向流动必然 会有一条不产生流动的“中性线”用数值方法分析 时可以称之为“零位移线”．该“零位移线”可用于 分析万能轧制时翼缘部分两种轧制状态的分界线． 2∙2 立辊压下方向的金属流动规律及其分析 分析立辊压下方向的金属流动可以发现：在该 方向上存在多条“零位移线”并具有一定的规律性． 第2期 马光亭等： H 型钢万能轧制过程中金属流动的有限元分析 ·167·
,168 北京科技大学学报 第30卷 (a) (b) 立辊 平辊 翼缘内侧 丑翼缘 金属流动方向 12腹板 轧件 12翼缘 轧制方向 轧制方向 12腹板 平辊 立辊 图6万能轧制变形区简图.(a)俯视图；(b)侧视图 Fig.6 Diagram of deformation zone during universal rolling:(a)top view:(b)side view 笔者通过大量的计算证明：立辊压下方向上的“零位 奚铁，钱奕峰，章静.H型钢开坯轧制变形分析.轧钢，2004， 移线”根据规格不同、压下量不同将会产生移动，在 16(12):47 某些万能孔型中靠近R角部位的腹板金属存在“闭 [2]Cao J.Xi T,Zhang J.et al.Analysis of metal deforming during rolling of H-beam by universal mill.Hecy Mach.2005(1):23 环零位移线”（见图5(b));随着压下量的增大，该闭 (曹杰，奚铁，章静，等.日型钢万能轧制变形分析。重型机 环线向下扩大延伸，直至穿透轧件，形成两条“零位 械，2005(1)：23) 移线”（见图5(a)),该零位移线两侧的金属向远离 [3]Luo S Q,Li Z Y,Zhang W M,et al.Finite element analysis of 零位移线流动，将存在导致该部位的厚度减薄的趋 the metal flow during beam blank cogging down.Anhui Metall. 势，出现宏观“颈缩现象”. 2005(3):4 (罗双庆，李忠义，张文满，等.H型钢开坯轧制过程金属流动 实际生产中H型钢横断面上靠近R角处的腹 的有限元分析.安徽治金，2005(3)：4) 板厚度存在减薄的现象，就是这个原因造成的，这 [4]Xu X D.Wang B X.Liu X H.et al.FEM simulation of con- 种现象还会导致腰腿连接部位的内应力增大，容易 trolled cooling of H-beam.J Iron Steel Res,2005.17(2):30 出现腹板开裂，对质量产生不良影响，应该尽量 (徐旭东，王秉新，刘相华，等.H型钢控制冷却的有限元模拟， 避免 钢铁研究学报，2005,17(2)：30) [5]Xu X D.Wang B X.Liu X H.et al.Numerical simulation on H- 产生该现象的原因主要是腰腿连接部位的金属 beam rolling force.Iron Steel.2005,45(7):56 压下量比其他部位相对较大，加之R角处孔型形状 (徐旭东，王秉新，刘相华，等。H型钢轧制力的数值模拟分析. 的影响所造成的，其中腰腿连接部位和靠近该部位 钢铁，2005,45(7)：56) 的腹板金属的流动规律和它们之间的“零位移线”的 [6]Duan M N.Zang Y.Ma GT,et al.The FEM model of H-beam 移动规律，是影响产品质量和孔型设计的重要因素， rolling and its application.Iron Steel.2006,46(11):42 (段明南，减勇，马光亭等.H型钢轧制有限元模型研究及应用 3结论 [J】.钢铁，2006,46(11)：42) [7]Yanajimoto J.Strategic FEM simulator for innovation of rolling (1)H型钢的万能轧制过程中，可将金属变形 mill and process.J Mater Process Technol.2002.130/131:224 分为平板轧制和孔型轧制两种轧制状态用于理论分 [8]Zang Y.Wang HG,Cui F L.Elastic plasticity analyse of bend- 析，两种轧制状态的金属之间存在“零位移线”. ing deflection on section roller straightening.Chin J Mech Eng, (2)轧件横断面上金属水平方向的位移，存在 2005,41(11):47 (臧勇，王会刚，崔福龙·型钢辊式矫直压弯挠度的弹塑性解 “闭环零位移线”；随着压下量的增大，该闭环线向下 析.机械工程学报，2005,41(11)：47) 扩大延伸，直至穿透轧件，形成两条“零位移线”，该 [9]Wang HG.Yang X D.Zang Y.Research on residual geometrical “零位移线”的移动规律，是影响产品质量和孔型设 shape of H-beam rolling straightening.Forg Stamp Technol, 计的重要因素. 2006,31(4):109 (③)模拟分析中存在“内翻现象”和“颈缩现 (王会刚，杨旭东，减勇H型钢辊式矫直残余几何形态的理论 研究.锻压技术，2006,31(4)：109) 象”，与生产实际十分吻合 [10]Gao Y,Zang Y.Finite element simulation of section deflection 参考文献 during H-beam roller straightening.J Univ Sci Technol Bei- jing,2006,28(12):1157 [1]XiT,Qian Y F,Zhang J.Analysis of deformation of breakdown 高燕，藏勇，辊式矫直中H型钢新面畸变的仿真分析·北京科 rolling of H-beam.Steel Roll.2004.16(12):47 技大学学报，2006,28(12)：1157
图6 万能轧制变形区简图．（a） 俯视图；（b） 侧视图 Fig．6 Diagram of deformation zone during universal rolling：（a） top view；（b） side view 笔者通过大量的计算证明：立辊压下方向上的“零位 移线”根据规格不同、压下量不同将会产生移动在 某些万能孔型中靠近 R 角部位的腹板金属存在“闭 环零位移线”（见图5（b））；随着压下量的增大该闭 环线向下扩大延伸直至穿透轧件形成两条“零位 移线” （见图5（a））．该零位移线两侧的金属向远离 零位移线流动将存在导致该部位的厚度减薄的趋 势出现宏观“颈缩现象”． 实际生产中 H 型钢横断面上靠近 R 角处的腹 板厚度存在减薄的现象就是这个原因造成的．这 种现象还会导致腰腿连接部位的内应力增大容易 出现腹板开裂对质量产生不良影响应该尽量 避免． 产生该现象的原因主要是腰腿连接部位的金属 压下量比其他部位相对较大加之 R 角处孔型形状 的影响所造成的其中腰腿连接部位和靠近该部位 的腹板金属的流动规律和它们之间的“零位移线”的 移动规律是影响产品质量和孔型设计的重要因素． 3 结论 （1） H 型钢的万能轧制过程中可将金属变形 分为平板轧制和孔型轧制两种轧制状态用于理论分 析两种轧制状态的金属之间存在“零位移线”． （2） 轧件横断面上金属水平方向的位移存在 “闭环零位移线”；随着压下量的增大该闭环线向下 扩大延伸直至穿透轧件形成两条“零位移线”．该 “零位移线”的移动规律是影响产品质量和孔型设 计的重要因素． （3） 模拟分析中存在“内翻现象” 和“颈缩现 象”与生产实际十分吻合． 参 考 文 献 ［1］ Xi TQian Y FZhang J．Analysis of deformation of breakdown rolling of H-beam．Steel Roll200416（12）：47 奚铁钱奕峰章静．H 型钢开坯轧制变形分析．轧钢2004 16（12）：47 ［2］ Cao JXi TZhang Jet al．Analysis of metal deforming during rolling of H-beam by universal mill．Heav y Mach2005（1）：23 （曹杰奚铁章静等．H 型钢万能轧制变形分析．重型机 械2005（1）：23） ［3］ Luo S QLi Z YZhang W Met al．Finite element analysis of the metal flow during beam blank cogging-down．A nhui Metall 2005（3）：4 （罗双庆李忠义张文满等．H 型钢开坯轧制过程金属流动 的有限元分析．安徽冶金2005（3）：4） ［4］ Xu X DWang B XLiu X Het al．FEM simulation of controlled cooling of H-beam．J Iron Steel Res200517（2）：30 （徐旭东王秉新刘相华等．H 型钢控制冷却的有限元模拟． 钢铁研究学报200517（2）：30） ［5］ Xu X DWang B XLiu X Het al．Numerical simulation on Hbeam rolling force．Iron Steel200545（7）：56 （徐旭东王秉新刘相华等．H 型钢轧制力的数值模拟分析． 钢铁200545（7）：56） ［6］ Duan M NZang YMa G Tet al．The FEM model of H-beam rolling and its application．Iron Steel200646（11）：42 （段明南臧勇马光亭等．H 型钢轧制有限元模型研究及应用 ［J］．钢铁200646（11）：42） ［7］ Yanajimoto J．Strategic FEM simulator for innovation of rolling mill and process．J Mater Process Technol2002130／131：224 ［8］ Zang YWang H GCui F L．Elastic-plasticity analyse of bending deflection on section roller straightening．Chin J Mech Eng 200541（11）：47 （臧勇王会刚崔福龙．型钢辊式矫直压弯挠度的弹塑性解 析．机械工程学报200541（11）：47） ［9］ Wang H GYang X DZang Y．Research on residual geometrical shape of H-beam rolling straightening． Forg Stamp Technol 200631（4）：109 （王会刚杨旭东臧勇．H 型钢辊式矫直残余几何形态的理论 研究．锻压技术200631（4）：109） ［10］ Gao YZang Y．Finite element simulation of section deflection during H-beam roller straightening． J Univ Sci Technol Beijing200628（12）：1157 高燕臧勇．辊式矫直中 H 型钢断面畸变的仿真分析．北京科 技大学学报200628（12）：1157 ·168· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷