H型钢热轧过程中残余应力有限元模拟

李红斌 张树江 葛晓红

(1.河北联合大学 2.河北津西钢铁集团正达钢铁公司; 3.中钢集团邢台机械轧辊有限公司)

H型钢热轧过程中残余应力有限元模拟

李红斌1张树江2葛晓红3

(1.河北联合大学 2.河北津西钢铁集团正达钢铁公司; 3.中钢集团邢台机械轧辊有限公司)

在热轧 H型钢的生产过程中,由于 H型钢断面的复杂性,导致在长度方向上翼缘和腹板之间形成了一定的残余应力,严重影响了 H型钢的性能。本文通过采用ANSYS软件对热轧 H型钢的热轧过程进行模拟,定量的分析了残余应力数值的大小。

H型钢 应力 ANSYS 有限元值模拟 残余应力数值分析

KEY WAORDSH-beam stress ANSYS FEM residual stress analysis

0 前言

型钢是一种内侧无斜度的工字钢,它是在普通工字钢的基础上发展起来的。型钢作为一种经济断面钢材被广泛地应用于诸多领域,现已成为我国推广使用的重点节能环保产品[1]。随着 H型钢应用的日益广泛,人们对其外形尺寸、力学性能的要求越来越高,钢中残余应力的分布不均匀问题日益突出[2]。针对热轧 H型钢变形过程的不均匀性,刘相华[3]等对热轧 H型钢边部外侧的变形进行了研究,王欣[4]等对轧件的金属流动以及轧制力分布进行了模拟,均取得了良好的成绩;但是,由于 H型钢断面的复杂性,在变形过程中容易形成轧件的各部分变形不均匀导致的残余应力。通过采用大型有限元分析软件 ANSYS/LS-DYNA对 200 mm×200 mm×8 mm×12 mm规格的 H型钢的轧制过程进行模拟,得到各个道次在变形过程中,腹板和翼缘之间在轧制方向上的相互作用应力的计算值,从而对热轧后由于变形不均匀以及变形过程中断面温度不均匀造成的 H型钢产品内部长度方向上的残余应力进行描述,为 H型钢的生产以及推广使用提供参考。

1 弹塑性有限元模型的建立

1.1 孔型、轧机布置与压下规程

众所周知,由于热轧 H型钢在粗轧阶段的温度较高,变形量较大,此时一般的结构钢在粗轧阶段都能够发生动态或静态再结晶以及回复等软化作用,所以粗轧阶段的变形对残余应力的影响很小,所以笔者仅对热轧 H型钢在精轧过程中的变形进行模拟分析。

万能轧机的孔型由一对上下水平辊和一对左右立辊构成,成品孔型为 H形,成品前孔型为 X形[5],如图 1所示。

图1 H型钢轧机孔型图

参照现场采用 7架万能轧机和 2架轧边机构成了 9架连轧 H型钢生产线,轧边机仅对翼缘的边缘部位进行加工,轧机布置状态如图 2所示。模型取1/4孔型与轧件孔型,其尺寸均来自现场,为避免模拟时间过长,本文缩短了轧机之间的距离,以前后轧辊互不干涉为准。

图2 H型钢轧机布置

模拟的压下规程为实际生产规程,其轧制规程见表 1。

表1 轧制规程

在模拟过程中,轧辊与轧件的尺寸设置见表 2。

表2 模型尺寸 mm

1.2 建模理论

针对热轧 H型钢变形过程中的金属流动特点,采用弹塑性有限元理论进行建模:

1)虚功方程:变形体在变形的过程中的每一个瞬间都要满足平衡关系,也就是说要满足虚功方程。以变化率形式表示的虚功方程为:

式中:V——求解域;

Sσ——应力边界条件;

Pi——对像的表面应力;

Fi——体积力;

σij——Eulaer应力张量的分量;

δvji——物体内质点的虚速度分量;

δeij——虚速度应变速率 (eij=deij/dt);

eij——Alm ansi应变张量。

2)本构方程:本构方程实际上就是应力应变之间的相互关系式,对于各向同性的大变形弹塑性金属材料,本构方程不再是符合线性关系的胡克定律了而是应力增量和应变增量的形式,即:

式中 :J(Δ σij)——Jaumann应力增量 ;

Δekl——对数应力张量的增量;

W——变形过程中的应变能量密度;

Eij——Green应变张量。

3)刚度矩阵:在有限元法中,单元内的任意一点的位移可用该单元有限个节点的位移表示出来。设单元节点坐标为ααi,节点位移为 Uαi。则单元内的任意节点和该节点的唯一之间的关系可以写成如下矩阵形式:

式中:u——单元内任意一点位移分量形成的列向量;

N——形函数矩阵;

Ψ——单元节点位移的列向量。

2 模拟结果及其分析

2.1 轧件断面代表单元的选取方案

由于 H型钢断面的复杂性,对于不同部位的 Z向应力分析,在断面上的不同部位选择 8个不同的单元,分析其轧制方向上的应力在最后一道次的轧制过程中的变化情况,以及轧制完成后的轧制方向上的应力状态。所选取的单元的部位如图 3所示,这些单元具有一定的代表性。

图3 应力结果观察点的选取

2.2 残余应力计算结果分析

轧制过程中由于所选单元所处的位置的不同,以及由于热轧 H型钢变形过程的复杂性,也就导致了断面上所选单元的应力大小有很大的不同,由于轧边机只对翼缘边部的金属进行修整,并且变形量很小所以在只考虑万能轧制过程中各单元的残余应力值变化,如图 4所示。

图4 各单元各道次的轧制方向残余应力

所选单元的应力变化较为平缓,数值的分布也较为均匀;在整个变形过程中,由于轧制过程中立辊是被动的,所以设置腹板和翼缘的延伸系数比的时候使之始终保持在大于 1的水平,即增加翼缘的延伸,以抵消由于立辊被动所造成的翼缘延伸不足。由于这种延伸系数的分配方式保证了单元在变形过程中,单元的应力较小。在最后几道次中,轧件中的腹板和翼缘的交接处存在着较大的内应力,模拟的结果显示其值小于 1.8 MPa,这主要是由于翼缘和腹板的延伸在后继道次中的分配不合理造成的,翼缘限制了腹板的延伸,这种腹板与翼缘的延伸不均,也是造成在实验的时候腹板出现波浪的根本原因所在;在腹板中间所选取的单元,由于腹板距离翼缘较远,受到的延伸限制较小,轧制完成后所受到的应力基本为 0;在翼缘的边缘部位的单元,由于位置特殊所以残余应力也不大。

3 结论

1)在热轧 H型钢热轧完成后由于变形的不均匀,在翼缘内部存在拉应力,腹板内部存在压应力,最大应力不超过 1.8 MPa。

2)在腹板上与翼缘的交界处单元的压应力最大,翼缘内侧靠近与腹板交接处的单元受到的压应力最大;

3)在万能轧机轧制的开始的几个道次中,总体来说所选各个单元的内部的残余应力还比较均匀,但是在后面的几个道次变形均匀性较差,导致残余应力升高;造成这种现象的原因除了孔型问题外,还有轧件断面复杂而造成的温度不均匀等其他方面的原因。

[1] 冯宪章.H型钢轧制过程摩擦力分布的数值分析[J].润滑与密封,2006,178(6):78-80.

[2] 曹杰,奚铁,章静.等.H型钢万能轧制变形分析[J].重型机械,2005(1):23-25.

[3] 刘相华,白光润.H型钢轧件外部边侧前滑值得研究 [J].钢铁,1985,20(8):44-47.

[4] 王欣,王长松,尹左勇,等.H型钢轧制过程的计算机仿真[J].北京科技大学学报,2003,25(6):560-562.

[5] 朱国明,康永林,陈伟,等.H型钢空冷过程中残余应力的有限元分析[J].机械工程材料,2008,32(4):77-80.

FINITE ELEM ENT STIM ULATION OF RESIDUAL STRESS DURING H-BEAM HOT ROLLED PROCESS

Li Hongbin1Zhang shujiang2Ge Xiaohong3
(1.HeBeiUnion University; 2.Zhengda Iron and Steel Company,Jinxi Iron and Steel Group;3.XingtaiMachinery&Mill Roll Co.,Ltd,Sinosteel Group)

During H-beam rolling,the complexity of H-beam section causes the residual stress formed be tween the web and flange,which greatly decreased the property of H-beam.The paper numerically analyses the residual stress during H-beam hot rollingwith ANSYS software.

＊联系人:李红斌,硕士,助理实验师,助理工程师,河北.唐山 (063009),河北联合大学冶金与能源学院;

2010—12—12