H型钢轧制过程的计算机仿真

D0I:10.13374/i.issm1001053x.2003.06.018 第25卷第6期 北京科技大学学报 VoL.25 No.6 2003年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec,2003 H型钢轧制过程的计算机仿真 王欣”王长松”尹佐勇”陶登奎2”马光亭2” 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)莱芜钢铁集团有限公司，莱芜271104 摘要为解决H型钢轧制缺陷问题，用塑性有限元软件建立了H型钢的轧制模型，模拟 了轧制过程，并用热力耦合法分析了轧件的变形和金属流动情况和腹板的轧制力分布.仿真 结果与实测数据基本吻合， 关键词H型钢：轧制：有限元：金属流动 分类号TG335.4 H型钢以其截面模数大、质量轻、工艺性能 轧件带动转动.模型中z轴正向为轧制方向，水平 好等特点，在工业、建筑、桥梁等领域得到越来越 辊沿y轴负向压下，立辊沿x轴负向压下，坐标原 多的应用，是一种理想的经济断面型材.H型钢 点位于轧件出口中心（如图1）. 的轧制过程是一个典型的几何、材料和边界三重 非线性问题.在轧制过程中，由于腹板和翼缘相 互影响使金属的流动极其复杂，而经典的工程分 析方法无法分析这种状态下金属流动规律和应 力情况，因而无法预测轧制质量. 目前，对H型钢的研究主要采用刚塑性有限 元法和实验研究例.本文采用能结合生产实践 快速模拟各种冷热挤压、轧制以及多步锻造等成 型过程的先进的塑性大变形有限元软件Marc/ AutoForge建立了轧制模型，采用热力耦合法研 究了H型钢在热轧过程中的变形情况，分析了金 属流动规律和腹板的轧制力分布等， 图114断面网格的划分 Fig.1 Finite element mesh of H beam (1/4 of cross-section) 1计算模型的建立 12仿真模型参数设置 1.1构建几何模型 (1)初始条件.模型中假定轧制过程在恒温下 轧件尺寸为200mm×204mm×12mm×12mm, 进行，定义初始条件时，只考虑与材料数据库相 水平辊直径为1100mm,立辊直径为600mm,水 关的温度值，这里即是轧制温度，根据在莱钢中 平辊转速为1.15ms.考虑到轧件在轧制过程中 型厂第一架U轧机入口处用红外测温仪测得的 受力的对称性，为了减少计算单元，节约计算时 数据，取轧制温度为1000℃. 间，取轧件的1/4断面进行网格划分，断面单元数 (2)材料模型.Marc/AutoForge提供了丰富的 为366个.计算模型中轧件的长度为100mm,共 材料库，本实验工件的材料是45钢，由艾克隆德 划分为7320个六面体单元.并在对称面上施加 公式计算变形速度. 了约束条件，水平辊为主动辊，立辊为从动辊，由 μ≈2h驱g1 ho+h: (1) 收稿日期2002-06-10 王欣女，26岁，硕士 式中，v轧制速度，mm/s;h,h,轧制前、后轧件的高 度，mm:R轧辊半径，mm

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 七 匕 型钢轧制过程 的计算机仿真 王 欣 ‘ ， 王 长松 ” 尹佐 勇 ‘ ， 陶登奎 ” 马 光 亭 ” 北 京科技大 学机械工程学 院 ， 北 京 莱芜 钢铁 集 团有 限 公 司 ， 莱芜 摘 要 为解 决 型钢 轧 制 缺 陷问题 ， 用 塑 性有 限元 软件建 立 了 型 钢 的轧 制模型 ， 模拟 了 轧 制 过程 ， 并用 热 力祸合法 分析 了轧 件 的变形 和 金 属 流动 情 况和 腹 板 的轧制 力分 布 仿 真 结果 与实测 数据 基 本 吻合 关键词 型钢 轧制 有 限元 金 属流动 分 类号 型 钢 以其 截 面 模 数 大 、 质 量 轻 、 工 艺 性 能 好 等特 点 ， 在工 业 、 建筑 、 桥梁 等 领域 得 到越 来越 多 的应 用 ， 是 一 种 理 想 的经 济 断 面 型 材 型 钢 的轧 制 过程 是 一个 典 型 的几 何 、 材料 和 边 界 三 重 非线 性 问题 在轧 制 过 程 中 ， 由于腹 板和 翼 缘 相 互 影 响使金属 的流 动 极 其 复杂 ， 而 经 典 的工程 分 析 方 法 无 法 分 析 这 种 状 态 下 金 属 流 动 规 律 和 应 力情 况 ， 因 而无 法 预 测 轧 制质量 目前 ， 对 型 钢 的研 究主 要 采用 刚 塑 性 有 限 元 法 ‘调 和 实 验 研 究 。 ， 本 文 采 用 能 结合 生产 实 践 快 速模 拟 各 种冷 热 挤 压 、 轧制 以及 多步 锻造 等 成 型 过 程 的先 进 的 塑 性 大 变 形 有 限 元 软 件 建 立 了轧制 模 型 ， 采 用 热 力 祸 合 法研 究 了 型钢 在 热 轧 过程 中 的变 形情 况 ， 分 析 了金 属 流 动 规 律 和 腹 板 的轧 制 力 分 布 等 轧件 带 动 转 动 模 型 中 轴 正 向为 轧制 方 向 ， 水 平 辊 沿 轴 负 向压 下 ， 立 辊 沿 轴 负 向压 下 ， 坐 标 原 点位 于 轧件 出 口 中心 如 图 澎 卜 口广 阵一守阱州 卜一月书脚浑一 子干洲一 刁 日斗十」 图 断面 网 格 的划 分 ，一 计 算模 型 的建 立 构 建 几 何 模 型 轧 件 尺 寸 为 ， 水 平 辊 直 径 为 们。 ， 立 辊 直 径 为 ， 水 平 辊 转 速 为 巧 而 考 虑 到 轧件 在 轧 制 过 程 中 受 力 的对 称 性 ， 为 了减 少 计 算单 元 ， 节 约 计 算 时 间 ， 取 轧件 的 断 面进行 网格 划 分 ， 断面 单 元数 为 个 计 算 模 型 中轧件 的长 度 为 刃。 ， 共 划 分 为 个 六 面 体 单元 并 在 对 称 面 上 施 加 了约 束条件 水 平 辊 为 主动 辊 ， 立 辊 为 从 动 辊 ， 由 仿 真 模 型 参数 设 置 初 始条件 模型 中假 定 轧制 过程 在恒 温 下 进 行 ， 定 义 初 始 条件 时 ， 只 考 虑 与 材 料 数 据 库 相 关 的温 度 值 ， 这 里 即是 轧制 温 度 根据 在 莱钢 中 型 厂 第 一 架 轧机 入 口 处 用 红 外 测 温 仪测 得 的 数 据 ， 取 轧制温 度 为 ℃ 材料 模 型 提供 了丰 富 的 材料 库 ， 本 实 验 工 件 的材料 是 钢 ， 由艾 克 隆德 公 式计 算变 形速 度 ，二 需 巫 一 ’ 收稿 日期 一企 王 欣 女 ， 岁 ，硕 士 式 中 ， 轧制速度 ， 洲 ， 轧 制前 、 后 轧件 的高 度 ， 轧 辊 半 径 ， DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2003．06．018

Vol.25 No.6 王欣等：H型钢轧制过程的计算机仿其 ·561· 根据变形速度可以读取45钢对应的1-0503 (a)x方向 C45的材料模型. (3)接触定义.H型钢接触区可分为翼缘单独 压下区域和腹板与翼缘同时压下区域.轧件与轧 辊接触的8个接触面中，可分为水平辊和轧件腹 板接触的2个主动面及水平辊、立辊与翼缘接触 的6个搓轧面.H型钢的轧制过程是一个极其复 杂的接触计算过程，在计算中采用了直接约束 法，即通过追踪物体的运动轨迹，一旦探测出发 生接触，便将接触所需的运动约束和节点力作为 边界条件直接施加在产生接触的节点上， b)y方向 在H型钢的轧制过程中，将轧件定义为变形 体，轧辊定义为刚性体处理.根据现场实际情况 取摩擦因数为0.4. 13咬入过程处理 在轧件咬入过程中，向轧件施加一个初速 度，使轧件保持与轧辊相同的线速度强迫咬入， 一旦水平辊咬入轧件后，水平辊依靠摩擦力带动 轧件运动， 1.4模型加载 计算时腹板的压下量为10.1mm.定义轧制过 图3轧件沿，y方向的位移云图 程为一般准静态分析的加载历程，给定轧制时间 Fig.3 Displacement contour bonds in the directions x and 和增量步数，Marc/AutoForge以轧制时间/增量步 y,respectively 长在每个增量步长内采用自适应探测步长求解. 型钢的腹板和翼缘间存在金属交换.以图1中轧 件横截面上的A、B、C位置点为例，由A,B,C点 2计算结果分析 自轧制区入口至出口分别沿x,y方向的位移曲线 (图47)可知，H型钢腹板A点处金属沿x轴正向 2.1轧件的变形 流动，腹板与翼缘交界处B点处金属流量最大， Marc/AutoForge清晰地模拟出了轧件的变形 向x轴正向，y轴负向作合成运动.翼缘上大部分 情况，如图2. 金属沿y轴正向流动，产生宽展.由此可见，用该 2.2金属流动情况 4.40 由轧件沿x,y方向的位移云图（图3）可知，H 3.52 2.64 1.76 0.88 0 0 0.480.961.441.922.40 1/mm 图4点A由入口至出口沿x方向的位移曲线 图2轧件塑性变形结果 Fig.4 Displacement curve of point A from entry to exit in Fig.2 Plastic deformation the direction x

王 欣 等 型钢 轧 制过 程 的计 算机仿 真 根 据 变形速 度 可 以读 取 钢 对 应 的 一 一 的材 料 模 型 接 触 定义 型钢 接 触 区 可 分 为 翼缘单 独 压 下 区域和 腹 板与 翼缘 同时压 下 区域 轧件 与轧 辊接触 的 个 接 触 面 中 ， 可 分 为水 平 辊 和 轧件 腹 板接触 的 个主 动 面 及 水 平 辊 、 立辊 与 翼缘接触 的 个 搓 轧 面 型钢 的轧制 过 程 是 一 个 极 其 复 杂 的接 触 计 算过 程 ， 在 计 算 中采 用 了直 接 约 束 法 ， 即通 过 追 踪 物 体 的运 动 轨 迹 ， 一 旦 探 测 出发 生接触 ， 便将接触所 需 的运 动 约束 和 节 点力作 为 边 界条件 直 接施 加 在 产 生接 触 的节 点上 在 型钢 的轧 制过 程 中 ， 将 轧 件 定义 为变 形 体 ， 轧辊 定义 为刚 性 体 处理 根据 现 场 实 际情 况 取 摩 擦 因数 为 咬 入 过程 处 理 在 轧 件 咬 入 过 程 中 ， 向轧 件 施 加 一 个 初 速 度 ， 使 轧件 保 持 与 轧辊 相 同 的线 速 度 强迫 咬入 ， 一 旦 水平 辊 咬入 轧件 后 ， 水 平辊 依靠 摩擦 力带 动 轧件 运 动 模 型 加 载 计 算 时腹板 的压 下 量 为 定义 轧制 过 程 为一般 准静态分 析 的加 载 历 程 ， 给 定 轧制 时 间 和 增 量 步数 ， 以轧 制 时 间 增 量 步 长在 每个增 量 步长 内采 用 自适 应探 测步长求 解 卜旧 而 丫阳吐 如日加 叱， 内嘴如 盯口瓦匕刃口 ﹃︸一 扛歇仁地 ‘﹄ 牡砂托代丫仁 右卜训职卜厂厂欲只比尸科书水淞和创妇洲形朋弘朋湘仍泪北桐羽倪媚趋钊札”淞的尖书旧日劫获公﹃门柯仁钊执，洲”妙“︺翻司公”卜“卜叭此︸︺“扮胜 计 算结 果 分 析 车件 的变形 清 晰地 模 拟 出 了轧件 的变 形 情 况 ， 如 图 金 属 流 动 情 况 由轧件 沿 ， 方 向的位 移 云 图 图 可 知 ， 图 车件 沿 ， 方 向的位移 云 图 护 即 代 ， 型钢 的腹 板和 翼缘 间存 在 金 属 交换 以图 中轧 件 横 截 面 上 的 、 、 位 置 点 为例 ， 由 ， ， 点 自轧制 区 入 口 至 出 口 分 别 沿， 方 向的位 移 曲线 图 小 可 知 ， 型钢 腹 板 点处 金 属沿 轴 正 向 流 动 腹板 与 翼缘 交 界 处 点处 金 属 流 量 最 大 ， 向 轴 正 向沙轴 负 向作合 成 运 动 翼缘 上 大 部 分 金 属 沿 轴 正 向流 动 ， 产 生 宽展 由此 可 见 ， 用 该 墓 乌 一 ︸一︸︸， 岛 些匡，抢竺些巴处竺 一 图 车 件塑 性变形 结果 妞 住 图 点 由入 口 至 出 口 沿 方 向的位移 曲线 电 川 磊帅图阶比即黔氢口卜氏一

·562 北京科技大学学报 2003年第6期 2.80 0 2.24 -1.2 1.68 -2.4 1.12 -3.6 0.56 4.8 0 6.0l 0 0.480.961.441.922.40 0 0.480.961.441.922.40 I/mm 1/mm 图5点B由入口至出口沿x方向的位移曲线 图6点B由入口至出口沿y方向的位移曲线 Fig.5 Displacement curve of point B from entry to exit in- Fig.6 Displacement curve of point B from entry to exit in the direction x direction y 3.0 向出口侧，由图9可知，沿腹板的横向单位压力 沿x轴正向略有下降.由腹板的单位压力分布积 2.4 分所得总轧制力与实测水平辊轧制力相当接近， 1.8 5.2 0.6 5.0 0 0.48 0.961.441.922.40 4.8 I/mm 图7点C由入口至出口沿y方向的位移曲线 Fig.7 Displacement curve of point C from entry to exit in- 4.6 the directiony 5 > 节点 软件可以深入研究轧件内部各质点流动过程。 图9H型钢沿腹板的横向单位压力分布 2.3H型钢腹板轧制压力分布 Fig.9 Distribution of transverse unite pressure of web 由图8可知，腹板的轧制压力分布的峰值偏 1.90 3结论 1.52 本文应用塑性大变形有限元软件Marc/Auto Forge清晰地模拟了H型钢的轧制过程，深入研 究了轧件内部的金属流动情况及轧制力的分布， 为H型钢轧制工艺和设备设计提供参考， 0.76 参考文献 0.38 1刘相华，白光润.带张力轧制H型钢的有限元分析 [A],中国金属学会轧钢分会轧制理论文集第三集 0L- 0 0.480.961.441.922.40 (上)[C.北京：冶金工业出版社，1985 //mm 2闋和典，山田健二，井田真樹，等.刚塑性有限要素 图8H型钢沿轧制方向的轧制力分布 法仁±条解压延”解析[仍.新日铁技报，1995， Fig.8 Distribution of rolling force of H beam 357:24 (下转第567页)

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 ‘ 期 ， 只 一 二二， 一一 一 一 一 一一 ， 一 ‘ 刁 追导日 一‘ 二孟 曰‘ 一儿 一 图 点 由入 口 至 出 口 沿 方 向的位移 曲线 呛 · 恤 叮 欢 加 一二 ‘ 一 一山一 上一泛‘ 产明‘ 门 “ 曰 图 点 由入 口 至 出 口 沿 方 向的位移 曲线 落 口 恤 叮 对 加 少 向 出 口 侧 由图 可 知 ， 沿 腹 板 的横 向单 位 压 力 沿 轴 正 向略 有 下 降 由腹 板 的单 位 压 力 分 布 积 分所 得 总 轧 制 力 与 实测 水 平 辊 轧制 力相 当接近 一一习‘ 一 一活二 一上 ， 图 点 由入 口 至 出 口 沿 方 向 的位移 曲线 纽 加 叮 对 恤 · 八沈 讨 髦 只 二 。 霜 解 划 哥 软件 可 以深 入研 究轧 件 内部 各质 点流 动 过程 型 钢 腹 板 轧 制 压 力分 布 由图 可 知 ， 腹 板 的轧制 压 力 分 布 的峰值 偏 一 一 一一一 二二二，，一 ， 日‘ ‘ 一 一 一曰 节 点 图 ， 型钢 沿 腹板 的横 向单位压 力分 布 哈 即 邝 一二一一一上一 司匕‘ 一七一 图 型 钢 沿 轧制 方 向的轧 制 力分 布 柱 址 代 结论 本文 应 用 塑性大变形 有 限元 软件 清 晰地 模拟 了 型钢 的轧 制 过 程 ， 深 入 研 究 了轧件 内部 的金 属流动 情况及 轧制 力 的分 布 ， 为 型钢 轧 制 工 艺和 设备 设 计 提 供 参 考 参 考 文 献 刘 相 华 ， 白光 润 带 张力轧制 型钢 的有限元 分 析 ， 中 国金 属 学会 轧钢 分 会 轧制理 论 文 集第 三 集 上 北 京 冶金 工 业 出版 社 ， 阴和 典 ， 山 田 健二 ， 井 田 真榭 ， 等 刚 塑 性 有 限要 素 法 忆 上 石 条纲压 延 。 解 析 明 新 日铁 技 报 ， ， 下转第 页 只解露召、之 ‘

Vol.25 No.6 杨海波等：斜轧零件应力应变特征与内部低周疲劳损伤机制 ·567· Characteristic Stress-Strain and Damage Mechanism of Workpiece Due to Low Cycle Fatigue in Skew Rolling YANG Haibo,ZHANG Lijie,MA Guohua,HU Zhenghuan Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT The 3-dimension finite element models of tool and workpiece in the skew rolling process were built up with ANSYS/LS-DYNA.Computer simulations on the ladder shaft in skew rolling under different parameters were conducted.According to the simulation results,the stress and strain of workpiece in the skew rolling were ob- tained and the forming mechanism of interior defects in the billet were studied.A explanation to the mechanism of Mannesmann effect is that low cycle fatigue damage,in the condition of deformation with large plastic strain,oc- curs inside the workpiece due to the alternately-changing stress and strain. KEY WORDS metal forming;skew rolling;low cycle fatigue;interior defect;simulation $2as父sas望es望as堂as业aorc6童eo管s里Poror堂o里wss堂es理e望ee里o星eoTeo望ee里es望ooFooPoot望Too?ao9eoTeoToo6o堂tos里u7 Tooeo父so望oo堂on望c6 (上接第562页) 3金晓光，刘玉礼，张文志，等.H型钢万能轧制过程 综合实验研究[).重型机械，1998(1)：22 Computer Simulation of Rolling for H Beam WANG Xin",WANG Changsong",YIN Zuoyong,TAO Dengkui",MA Guangting" 1)Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Laiwu Iron Steel Incorporation,Laiwu 271104,China ABSTRACT Rolling model of H beam was established through MSC Marc/AutoForge FEA software and rolling process was simulated to solve the defect problem for H beam.The metal flow in rolling process was simulated by thermo-mechanical coupled elastic-plastic element and the pressure distribution on web was given.The simulating results are agreeable with the measureed data. KEY WORDS H beam;rolling;finite element;metal flow

杨海 波 等 斜轧零 件应 力应 变 特征 与 内部 低 周 疲劳 损伤机制 一 认 改 ， 去咬八 扩， 几侧 ， 乙了 刀 ， ， 雌 ， 一 即 几 一 卿 ， ， ， 一 · 玉 上 接 第 页 金 晓光 ， 刘 玉 礼 ， 张 文 志 ， 等 型 钢 万 能 轧制 过 程 综 合 实验 研 究 重 型 机械 ， 恻 介刀， 洲刃 衅 ， 了八 护 口 户， 口 矛替饭， 舫叼 月 犷 夕 ， ， ， 花 ， ， 妙 一 一 树