利用有限元确定带材辊式矫直机的压弯量

高聪敏，张勇安，刘忠宝，常 瑜，秦建平，周存龙，金 莉

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032;2.太原科技大学，山西 太原 030024)

0 前言

近年来，带材发展的重点正从追求产量转移到追求质量，国内钢铁生产厂家急需附有新技术的辊式矫直机，特别是用于高精度带材精整线上的辊式矫直机。而要提高其精度，合理的压弯量至关重要。由于带材在辊式矫直过程中弯曲变形、微观组织的变化等都是非常复杂的问题，而利用解析法描述矫直变形过程的难度很大。因此本文采用显式动力有限元分析软件ANSYS/LSDYNA建立了有限元模型，对所建模型进行沙漏及其能量分析确定其合理性。通过对仿真结果的分析确定其合理的压弯量。

1 带材辊式矫直机有限元模型的建立

带材在矫直过程中变形复杂且宽厚比大，所以在建立带材辊式矫直有限元模型时，要对模型进行简化。本文建立的辊式矫直机模型为23辊辊式矫直机，上辊为11个辊，下辊为12个辊。同时增加了2个夹送辊，夹送辊没有压弯量。下辊距总和为550 mm，带材长度取为600 mm。考虑到带材矫直过程的对称性，减少单元数目，以带宽中心面为对称面，取1/2建模。带材单元总数为30 000个。带材有限元矫直模型见图1。

图1 带材有限元矫直模型Fig.1 Finite element model of steel strip straightening machine

采用常用的8节点实体单元SOLID164进行模拟，采用单点积分求解方式。根据分析的实际情况确定参数见表1，矫直辊和模拟分析中带材的材料参数分别见表2和表3。

表1 辊式矫直机基本参数Tab.1 Basic parameters of roller－type straightening machine

表2 矫直辊材料参数Tab.2 Property of straightening roller material

表3 模拟分析中带材的材料参数Tab.3 Property of steel strip in simulation

2 对模型进行沙漏及其能量分析

图2和图3为沙漏和控制沙漏的示意图。

图2 沙漏示意图Fig.2 Schematic of hourglass

图3 控制沙漏示意图Fig.3 Schematic of controlling hourglass

图2的网格划分长×宽×高为(500×10×4)20 000个单元，有沙漏。图3的网格划分长×宽×高为(500×10×6)30 000个单元沙漏得到控制，说明本文网格划分基本合理。

为确保分析的正确性从能量角度再加以分析，下面分析了两种不同压弯量下沙漏能和内能的比例关系:1)入/出口压弯量为－1.12 mm/0 mm;2)入/出口压弯量为－0.896 mm/0 mm。沙漏能和内能关系示意图见图4。

图4 沙漏能和内能的示意图Fig.4 Schematic of hourglass energy and internal energy

图4a、b为当时间分别为0.1 s，0.2 s，0.3 s，0.4 s时，对应时刻的沙漏能和内能的比例关系约为:3.6%，4.7%，5.1%，5.2%，再往后比例值趋向于5.2%。图4c、d当时间分别为0.1 s，0.2 s，0.3 s，0.4 s时，对应时刻的沙漏能和内能的比例关系约为:4.7%，5.9%，6.85%，6.9%，此后比例值趋向于6.9%。比较两种压弯量下的沙漏能与内能比值，说明第一种压弯量的结果更好些，整体来说，沙漏能与内能的比值的最大值都没有超过10%，说明建的模型能保证分析的准确性，进一步说明分析结果可以接受，沙漏得到有效控制。

3 对仿真结果进行分析确定压弯量

取3 mm厚带材分4种情况进行模拟分析，分析条件如下:

带材规格(长x宽x厚)为600 mm×75 mm×3 mm，4种情况下入/出口压弯量分别为－2.00 mm/0 mm、 －3.00 mm/0 mm、 －1.120 mm/0 mm、－0.896 mm/0 mm，夹送辊位置－75 mm，矫直辊速度128 rad/s，求解终止时间0.5 s，模拟情况如图5所示。

图5 仿真结果Fig.5 Result of simulation

图5a为当时间进行到0.905 s时，带材刚要经过第9个矫直辊，再继续矫直，带材有后退迹象并在第9辊处沿矫直方向前后摆动。图5b为当时间进行到0.05 s时，带材经过了第5个矫直辊，与第个6矫直辊刚接触上，同样再矫直，带材有后退迹象，并在第5、6个辊之间沿矫直方向前后摆动。对图5c和图5d分析发现可以实现带材矫直，说明设置合理的压弯量对带材矫直来说很重要。

图5的分析条件只是压弯量不同，并且压弯量越来越大，当压弯量小时，带材可以矫直到第9辊，随着压弯量的增大，带材可以矫直到第7辊，压弯量再大只能矫直到第5辊，说明随着压弯量的增大，实现矫直过程会越来越困难。其原因是压弯量太大，矫直过程中沿矫直方向前进的动力太小。

4 结论

本文对所建有限元模型首先从沙漏能角度对模型进行了分析，沙漏能小于内能的10%说明了分析结果可以接受，保证了分析的正确性，其次对3 mm厚板材不同压弯量的仿真结果进行了分析，通过比较最终确定了其合理的压弯量，当被娇直带材厚度为3 mm时，合理的压弯量应小于1.12 mmm。从实例可见，在工程上使用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件有时比解析法更方便和实用，且计算模拟过程非常形象直观。

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