寬帶鋼拉矯過程中帶鋼變形的有限元分析

1拉矯機(jī)帶鋼延伸率的測(cè)定拉橋機(jī)是連接鋼的最大設(shè)備之一。拉矯延伸率是拉矯工藝的三要素之一,板形缺陷矯正、消除材料屈服平臺(tái)等工藝都對(duì)拉矯延伸率有嚴(yán)格要求。拉矯過程中帶鋼延伸率實(shí)測(cè)值小于設(shè)定值的現(xiàn)象被稱為延伸率損失。以往研究中認(rèn)為這是張緊輥傳動(dòng)鏈的工作效率和帶鋼在張緊輥上打滑引起的。但文獻(xiàn)中通過對(duì)某酸洗拉矯機(jī)帶鋼延伸率的實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn),即使帶鋼與張緊輥間未出現(xiàn)打滑,實(shí)測(cè)延伸率也僅為設(shè)定延伸率的80%～85%,因此提出了延伸率設(shè)定值補(bǔ)償法。本文通過對(duì)拉矯過程中帶鋼三維變形的有限元仿真,從帶鋼的彈塑性變形角度分析延伸率損失現(xiàn)象。2拉矯前后帶鋼延伸率的測(cè)定拉矯機(jī)的入口、出口都配備張緊輥組,如圖1所示。拉矯機(jī)控制方式有延伸率控制和張力控制兩種控制方式。絕大多數(shù)情況下拉矯機(jī)采用延伸率控制方式,即通過設(shè)定入口、出口張緊輥組的轉(zhuǎn)速比使帶鋼經(jīng)過拉矯后產(chǎn)生設(shè)定延伸率。帶鋼與張緊輥間不發(fā)生打滑的情況下,帶鋼延伸與出口、入口張緊輥實(shí)際轉(zhuǎn)速比存在以下關(guān)系Srt=ω1?ω0ω0(1)Srt=ω1-ω0ω0(1)式中,Srt為帶鋼延伸率;ω1為入口張緊輥轉(zhuǎn)速;ω0為出口張緊輥轉(zhuǎn)速。在帶鋼延伸率的實(shí)測(cè)中,采用軋制過程中帶鋼延伸率的測(cè)量計(jì)算方法,測(cè)量帶鋼同一位置拉矯前后的實(shí)際厚度,帶鋼的實(shí)際延伸率則通過下式計(jì)算Srt=h0?h1h0(2)Srt=h0-h1h0(2)式中,h0為拉矯前帶鋼厚度;h1為拉矯后帶鋼厚度。實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn),帶鋼實(shí)測(cè)延伸率始終小于設(shè)定延伸率,稱為延伸率損失。3通過鋼拉深三維模型的構(gòu)建3.1彈塑性變形仿真研究拉矯過程中帶鋼的彈塑性變形,只需對(duì)帶鋼通過某一組彎曲輥組時(shí)的彈塑性變形進(jìn)行仿真。根據(jù)一般拉矯機(jī)彎曲輥組結(jié)構(gòu),可將彎曲輥簡(jiǎn)化并建立如圖2所示的模型,其中R1、R2、R3輥徑均為40mm。3.2仿真模型的不同以前對(duì)于寬帶鋼拉矯過程的解析建模研究中將帶鋼變形簡(jiǎn)化為平面問題,忽略帶鋼厚度寬度方向的變形。而在仿真研究中,則都認(rèn)為寬帶鋼具有薄殼特性,帶鋼寬度方向應(yīng)變?yōu)?。因而,采用仿真軟件中的殼單元建立帶鋼模型,不能模擬帶鋼厚度的變化。以上兩種模型顯然不適用于延伸率損失問題研究。本文為真實(shí)的表征帶鋼彈塑性變形過程,首次以三維實(shí)體單元建立帶鋼模型,如圖2所示。3.3帶鋼材料模型根據(jù)對(duì)普通帶鋼機(jī)械性能的試驗(yàn)結(jié)果,取三種不同性能的材料模型進(jìn)行仿真研究,材料應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。3.4施加位移載荷通過在帶鋼模型A′截面施加應(yīng)力載荷模擬帶鋼張力;通過在帶鋼模型的C′截面施加相應(yīng)的位移載荷模擬沿運(yùn)行方向的位移;在R2上施加位移載荷模擬壓彎量。根據(jù)帶鋼尺寸和載荷的對(duì)稱性,在帶鋼模型的B′側(cè)縱截面施加對(duì)稱約束。4在拉緊過程中，鋼彈塑料的變形模擬4.1延伸率與彈塑性變形的關(guān)系仿真的目的是得出拉矯過程中帶鋼的延伸率與彈塑性變形的關(guān)系,并分析張力、壓彎量、帶鋼材質(zhì)、規(guī)格對(duì)上述關(guān)系的影響。因此,設(shè)計(jì)表1所示工況。4.2拉矯延伸率與厚度、寬度方向應(yīng)變的配比取帶鋼模型中經(jīng)過完全拉矯的某一橫截面上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)度、厚度和寬度方向的應(yīng)變過程數(shù)據(jù),如圖4所示。顯然,拉矯過程中帶鋼產(chǎn)生長(zhǎng)度方向應(yīng)變的同時(shí),也產(chǎn)生了厚度、寬度方向的應(yīng)變,其中長(zhǎng)度方向應(yīng)變即為拉矯延伸率。由圖4可以發(fā)現(xiàn),帶鋼三個(gè)方向應(yīng)變代數(shù)和約為0,即帶鋼變形基本遵守體積不變?cè)瓌t。定義厚度、寬度方向應(yīng)變的絕對(duì)值與長(zhǎng)度方向應(yīng)變的百分比為各自對(duì)拉矯延伸率的貢獻(xiàn)率。公式表達(dá)為Kh=(|εh|/εl)×100%(3)Kw=(|εw|/εl)×100%(4)式中,Kh為厚度方向變形對(duì)拉矯延伸率的貢獻(xiàn)率;Kw為寬度方向變形對(duì)拉矯延伸率的貢獻(xiàn)率;εl為長(zhǎng)度方向應(yīng)變;εh為厚度方向應(yīng)變;εw為寬度方向應(yīng)變。由圖5可以發(fā)現(xiàn):在板寬方向上Kh、Kw是變化的,在帶鋼寬度方向中點(diǎn)有Kh≈80%、Kw≈20%;由中點(diǎn)向邊緣Kh逐漸減小,而Kw逐漸增大,并在邊部急劇變化,在帶鋼邊緣有Kh=Kw=50%。4.3拉矯過程中kh、kw的變化規(guī)律張力、壓彎量、帶鋼的規(guī)格和材質(zhì)是影響拉矯過程中帶鋼彈塑性變形的重要參數(shù)。由圖6可以發(fā)現(xiàn),在不同張應(yīng)力作用下的拉矯過程中,Kh的大小和變化規(guī)律基本相同。從圖7可以看出,在采用不同壓彎量的拉矯過程中,Kh的大小和變化規(guī)律基本相同。圖8表明,不同厚度的帶鋼拉矯過程中Kh的大小和變化規(guī)律基本相同。圖9中,材料的屈服極限越高,Kh越小。圖10為帶鋼模型寬度為80mm時(shí)Kh、Kw的仿真結(jié)果。與圖5相比較,可以發(fā)現(xiàn)都是帶鋼邊部30mm處、Kh、Kw開始明顯變化,而帶鋼中部Kh、Kw基本保持不變。由仿真計(jì)算結(jié)果可以得出結(jié)論:(1)在距離帶鋼邊部30mm以內(nèi)區(qū)域,Kh、Kw基本保持不變,始終有Kh>Kw;(2)在帶鋼邊部30mm以外,Kh逐漸減小、Kw逐漸增大,在帶鋼邊緣有Kh≈Kw;(3)Kh、Kw的大小和沿寬度方向的變化規(guī)律不受張力、壓彎量和帶鋼規(guī)格的影響;(4)材料的屈服極限越高,在帶鋼中部Kh越小、Kw越大。5拉矯延伸率實(shí)測(cè)拉矯過程中帶鋼產(chǎn)生三維彈塑性變形,帶鋼厚度和寬度方向都產(chǎn)生壓縮變形,兩者都對(duì)長(zhǎng)度方向的拉伸變形有貢獻(xiàn)。文章中在不卸載張力條件下測(cè)得的無法消除的延伸率損失與Kw基本吻合。由于張力引起的帶鋼長(zhǎng)度方向應(yīng)變小于0.05%,與帶鋼拉矯延伸率相比可以忽略不計(jì)。根據(jù)對(duì)Kh、Kw的仿真研究結(jié)果,延伸率實(shí)測(cè)中采用公式(2)計(jì)算延伸率時(shí),延伸率實(shí)測(cè)計(jì)算值必然小于設(shè)定值,可能造成延伸率出現(xiàn)損失的假相。為判斷是否真正產(chǎn)生了延伸率損失,根據(jù)仿真研究結(jié)果提出以下實(shí)測(cè)延伸率計(jì)算修正公式Srt=100(h0?h1)[0.78(210?σs)+84]h0(5)Srt=100(h0-h1)[0.78(210-σs)+84]h0(5)式中,σs為帶鋼材料屈服極限值,MPa。若采用公式(5)計(jì)算所得延伸率小于設(shè)定延伸率時(shí),則說明張緊輥打滑或傳動(dòng)鏈效率問題造成了真正的延伸率損失。6厚度方向的拉伸變形拉矯過程中帶鋼產(chǎn)生三維彈塑性變形,帶鋼厚度