浅述弹塑性有限元模拟在连轧角钢中的应用

摘 要：本文通过MSC.Superform非线性有限元软件构建16#角钢热连轧过程有限元模型，采用有限元法并考虑材料的高温热力学行为来模拟大角钢的热连轧过程，不但可以缩短调整周期和降低生产成本，而且其计算的准确性比较高，具有重要的参考价值。

关键词：弹塑性；有限元模拟；角钢；连轧

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.028

1 弹塑性有限元法概述

有限元法是研究金属塑性变形的理论分析方法，诞生于20世纪中叶，伴随着计算机技术的发展，已成为计算力学和计算工程领域中应用广泛的计算方法。有限元法将具有无限个自由度的连续轧件假想成只具有有限个自由度的单元集合体，各单元间以节点相连接，以节点的位移或速度作为未知量，应用最小能原理和边界条件求解相应的物理方程，进而确定各单元的应力、应变分布。

2 理论基础

大变形有限元法也叫有限应变有限元法。在小变形弹塑性变形情况下，工程应力和工程应变仍可作为应力度量和应变度量。这时弹性力学中的平衡方程和几何方程仍然成立，只是物理方程变成非线性的了，称为材料非线性。在大变形的过程中，由于大位移和大转动，单元形状发生改变，此时不仅是材料非线性了，位移与应变的关系也成为非线性的。在大变形的条件下，弹塑性应力应变的度量、本构关系、平衡方程以及边界条件等均与小变形时不同。

3 连轧角钢有限元模型的建立

本研究与开发通过采用MSC.Superform非线性有限元软件，采用三维大变形热力耦合有限元法模拟16#角钢连续轧制过程，考虑了温度和力学性能对轧制变形影响，建模中采用热力耦合分析的有限元模型。由于轧件在轧制过程中可简化为变形对称并且受力均匀，所以模型采用1/2断面进行建模。认为轧制过程中轧件为弹塑性变形方式，所以采用弹塑性有限元法建立角钢从来料方坯到成品各道次轧制过程的有限元模型。

3.1 网格划分

有限元网格的布局可根据型钢的变形条件以及轧件断面不同部分变形的剧烈程度来确定，由于角钢只存在垂直对称轴，只能取1/2断面进行网格划分。

基于上述角钢轧制过程的简化和假设，建立粗轧和精轧过程的模拟模型。模型中，一般把x，y轴所在平面作为轧件界面平面，坐标轴z向作为轧制线方向。模型中轧件及各个轧制设备都采用实际尺寸，坯料来料截面规格为250 mm×380 mm （圆角R=8 mm），坯料及模型中轧件长度的选取应考虑到在轧制方向上应至少有一个变形区长度的稳定变形区域，所以模型中轧件长度应至少大于3倍的变形区长度。考虑到轧件的散熱对各个道次轧制变形的影响，各机架间离可按机架的实际间隔距离来确定。由于电脑设备有限，不能同时模拟轧件在所有孔型中变形情况。本文采用每连轧三道次建立一模型，为了连续轧制的实现，模型的中最后一道次出现在下一模型的首道次，前后衔接的2模型中的轧件横断面外型、尺寸，节点坐标以及节点温度的传递是通过节点一一映射来实现的，这样就保证了相邻道次间轧件截面的参数传递是正确的。同时在轴向重新拓展网格减小网格畸变防止失真，保证轧制的稳定性。轧件的单元类型为八节点六面体单元（见图1）。

3.2 主要材料模型

MSC.Superform软件材料库中提供了大量常用材料的材料数据，由于实际生产时使用的坯料成分为Q420B钢种，故选择16MnCr5作为材料模型进行模拟。

3.3 模拟计算条件和方法

本设计主要模拟计算在小H型钢生产线上连轧生产大号角钢，为了准确体现出各孔型中轧件的变形情况，每个模型计算完成后，将轧后轧件的切片取出，拓展处理后作为下一模型的来料形状。由于MSC.Superform软件不具备三维网格再造能力，因此在进行下一模型的模拟计算时，必须根据来料形状重新对来料进行网格划分。使用这种方法可以有效避免因网格畸变造成的模拟中断，能更好的反映整个轧件在孔型中的变形情况。

轧机的布置形式为：粗轧机组为5机架，平立交替布置，精轧机组为10机架，其中U/H万能轧机8架，轧边机2架。连轧生产16#角钢，机组主要设备参数见表。共用5个延伸孔，10个异型孔。切分孔采用凸底开口式切分孔，成品孔为开口式，其余为上下开口交替布置的蝶式孔。延伸孔型采用了箱型孔型系统。

轧制温度在900℃～1150℃，异型孔轧制温度在900℃～1020℃。轧制钢种为Q420B普通碳素结构钢。轧辊材质为60CrNiMo，其强度极限，σb=785MPa，许用应力[σ]=157MPa。

4 结论

（1）有限元法是研究金属塑性变形的理论分析方法，已在计算力学和工程领域中应用广泛；

（2）大变形弹塑性有限元理论建立在有限应变基础上，更加适用压力加工的成形过程；

（3）16#角钢有限元模型宜采用1/2断面进行建模。

参考文献：

[1]阎军，鹿守理等.切分孔形状对轧件变形影响的有限元分析[J].钢铁研究学报，2000，12（02）：25-28.

[2]陈火红.MARC有限元实例分析教程[M].北京：机械工业出版社，2002.

[3]阎军，陈大宏等.角钢孔型优化设计方法研究[J].轧钢，1999（03） ：21-24.

作者简介：胡睿（1985-），男，安徽滁州人，主要研究方向：材料加工工程。endprint