边浪带材拉伸弯曲矫直有限元模拟曲率分析

李中喜，周存龙，赵培建

（1．太原科技大学 山西冶金设备设计理论与技术重点实验室，山西 太原 030024；2．山东钢铁股份有限公司 济南分公司，山东 济南 250101）

0 引言

随着现代工业的发展，用户对带钢产品的平直度和表面质量要求的提高，钢厂面临的首要问题已从增加带钢产量向提高带钢质量的方向转变［1，2］。由于带材在轧制过程中，沿宽度方向的纵向延伸不均匀而使其内部产生应力，当应力达到一定值时就会产生三维板形缺陷［3－5］。拉伸弯曲矫直机主要用来消除浪形或瓢区等三维板形缺陷，保证带材的平直精度［6］。

本文采用有限元软件ANSYS／LS－DYNA模拟带有边浪的带材拉伸弯曲矫直过程，研究带材边浪处初始曲率的变化及矫直卸载后残余曲率的分布状态。

1 带钢拉弯矫直过程的有限元仿真

1．1 拉弯矫直过程有限元模型的建立

为简化分析，以国内某钢铁企业酸洗线上的拉弯矫直机矫直段建模，其主要尺寸如图1所示。

图1 一弯一矫的辊系简图

带材尺寸及材料属性如表1所示。轧件的材质选用Q235，单元选用8节点实体单元Solid164，属性选用双线性各向同性材料。带材是规则的长方体，以带材宽度方向中心线的一侧为对象建模，轧件尺寸为5 400mm×700mm×3mm，单元尺寸为15mm×10 mm×0．75mm，共计100 800个单元。

表1 带材尺寸及材料属性

1．2 边浪带材模型的制作

为模拟带钢边浪的产生，在矫直段前面放置一个带凸台的辊（三维形状见图2），带钢穿过其身时，沿宽度方向的纵向纤维得到不同延伸而产生边浪。

1．3 约束和加载条件

通过节点组件的方式约束对称面Y向平动。轧件与辊子间采用面面接触，静摩擦系数设定为0．1，动摩擦系数设定为0．05。矫直速度为500mm／s，对带材X向施加张力为为屈服极限），弯曲辊压下量为21mm。

2 计算结果分析

为了了解带材边浪处曲率的分布情况，选取带材上表面由边部到中心的4条长度方向路径A、B、C和D为研究对象，如图3所示。

图3中路径A距带材最边部有一定的距离，带材最边部的应力分布状态不作为分析对象，这是因为最边部的晶粒受力状态为平面应力状态，靠里边才是三维应力状态。

图2 凸起的导向辊

图3 带材边浪处应力分析路径的位置

2．1 带材边浪处初始曲率分布状态

图4为带材表面路径A、B、C和D沿长度方向上的初始曲率分布状态。从图4中可知，边部弯曲程度最大，从边部到中心，弯曲程度逐渐减小。这是由于1＃凸辊的压下，边部受到的压力最大，则带材的边部变形最大，产生的浪弯曲率也最大。由边部到中心，变形程度逐渐减小，产生的浪弯曲线也趋于平缓。这与带材的边浪缺陷相一致［7，8］。

图4 边浪初始曲率

2．2 拉伸卸载后带材边浪处残余曲率分布

图5为拉伸卸载后，带材表面路径上残余曲率分布。从图5中可以看出，经过拉伸卸载后，不同路径上残余曲率分布很不相同，虽然残余曲率与初始曲率相比有所改善，但是改善程度很小。这是由于带材初始曲率不同，同时受到相同张力作用，使得带材边浪处出现减薄现象造成变形过大，使得残余应力较高，造成残余曲率也较大。

图5 张应力为拉伸后不同路径上的残余曲率

2．3 弯曲卸载后带材边浪处残余曲率分布

图6为压下量为21mm弯曲卸载后带材表面路径上残余曲率分布。从图6中可以看出，经过弯曲卸载后，不同路径上带材的残余曲率分布变化趋势有很大的改善，路径D的残余曲率相对小一些，这说明越靠近中心残余曲率越小。这是由于带材边部初始曲率大，而边部与弯曲辊接触较小，因此从边部到中心受到的压力增大，塑性变形也增大，残余应力也就越小，带材的曲率也就越小。

图6 压下量为21mm弯曲后不同路径上的残余曲率

2．4 拉弯卸载后带材边浪处残余曲率分布

图7 张应力为、压下量为21mm拉弯后不同路径上的残余曲率

图8为边浪带材经过拉伸、弯曲和拉弯卸载后，路径A残余曲率的比较。从图8中可以更好地看出，比较拉伸、弯曲和拉弯3种矫直工艺，在不改变其他工艺参数的情况下，经过拉弯卸载后带材的平直度获得良好的改善，进一步验证拉弯矫直机能更好地消除板形缺陷、改善带材的平直度。

3 结论

（1）由于带材初始曲率不同，同时受到相同张力作用，使得带材边浪处出现减薄现象造成变形过大，使得残余应力较高，造成残余曲率也较大。

（2）带材从边部到中心部位与弯曲辊接触逐渐增大，则从边部到中心受到的压力增大，塑性变形也增大，残余应力逐渐越小，带材的曲率也就越小。

（3）拉伸、弯曲和拉伸弯曲3种矫直工艺中，拉弯矫直机能更好地消除带材板形缺陷，改善带材的平直度。

图8 拉伸、弯曲和拉弯后残余曲率比较

［1］ 崔甫．矫直原理与矫直机械［M］．第2版．北京：冶金工业出版社，2007．

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