邊浪帶材拉伸彎曲矯直有限元模擬曲率分析

李中喜，周存龍，趙培建

（1．太原科技大學 山西冶金設備設計理論與技術重點實驗室，山西 太原 030024；2．山東鋼鐵股份有限公司 濟南分公司，山東 濟南 250101）

0 引言

隨著現代工業的發展，用戶對帶鋼產品的平直度和表面質量要求的提高，鋼廠面臨的首要問題已從增加帶鋼產量向提高帶鋼質量的方向轉變［1，2］。由于帶材在軋制過程中，沿寬度方向的縱向延伸不均勻而使其內部產生應力，當應力達到一定值時就會產生三維板形缺陷［3－5］。拉伸彎曲矯直機主要用來消除浪形或瓢區等三維板形缺陷，保證帶材的平直精度［6］。

本文采用有限元軟件ANSYS／LS－DYNA模擬帶有邊浪的帶材拉伸彎曲矯直過程，研究帶材邊浪處初始曲率的變化及矯直卸載后殘余曲率的分布狀態。

1 帶鋼拉彎矯直過程的有限元仿真

1．1 拉彎矯直過程有限元模型的建立

為簡化分析，以國內某鋼鐵企業酸洗線上的拉彎矯直機矯直段建模，其主要尺寸如圖1所示。

圖1 一彎一矯的輥系簡圖

帶材尺寸及材料屬性如表1所示。軋件的材質選用Q235，單元選用8節點實體單元Solid164，屬性選用雙線性各向同性材料。帶材是規則的長方體，以帶材寬度方向中心線的一側為對象建模，軋件尺寸為5 400mm×700mm×3mm，單元尺寸為15mm×10 mm×0．75mm，共計100 800個單元。

表1 帶材尺寸及材料屬性

1．2 邊浪帶材模型的制作

為模擬帶鋼邊浪的產生，在矯直段前面放置一個帶凸臺的輥（三維形狀見圖2），帶鋼穿過其身時，沿寬度方向的縱向纖維得到不同延伸而產生邊浪。

1．3 約束和加載條件

通過節點組件的方式約束對稱面Y向平動。軋件與輥子間采用面面接觸，靜摩擦系數設定為0．1，動摩擦系數設定為0．05。矯直速度為500mm／s，對帶材X向施加張力為為屈服極限），彎曲輥壓下量為21mm。

2 計算結果分析

為了了解帶材邊浪處曲率的分布情況，選取帶材上表面由邊部到中心的4條長度方向路徑A、B、C和D為研究對象，如圖3所示。

圖3中路徑A距帶材最邊部有一定的距離，帶材最邊部的應力分布狀態不作為分析對象，這是因為最邊部的晶粒受力狀態為平面應力狀態，靠里邊才是三維應力狀態。

圖2 凸起的導向輥

圖3 帶材邊浪處應力分析路徑的位置

2．1 帶材邊浪處初始曲率分布狀態

圖4為帶材表面路徑A、B、C和D沿長度方向上的初始曲率分布狀態。從圖4中可知，邊部彎曲程度最大，從邊部到中心，彎曲程度逐漸減小。這是由于1＃凸輥的壓下，邊部受到的壓力最大，則帶材的邊部變形最大，產生的浪彎曲率也最大。由邊部到中心，變形程度逐漸減小，產生的浪彎曲線也趨于平緩。這與帶材的邊浪缺陷相一致［7，8］。

圖4 邊浪初始曲率

2．2 拉伸卸載后帶材邊浪處殘余曲率分布

圖5為拉伸卸載后，帶材表面路徑上殘余曲率分布。從圖5中可以看出，經過拉伸卸載后，不同路徑上殘余曲率分布很不相同，雖然殘余曲率與初始曲率相比有所改善，但是改善程度很小。這是由于帶材初始曲率不同，同時受到相同張力作用，使得帶材邊浪處出現減薄現象造成變形過大，使得殘余應力較高，造成殘余曲率也較大。

圖5 張應力為拉伸后不同路徑上的殘余曲率

2．3 彎曲卸載后帶材邊浪處殘余曲率分布

圖6為壓下量為21mm彎曲卸載后帶材表面路徑上殘余曲率分布。從圖6中可以看出，經過彎曲卸載后，不同路徑上帶材的殘余曲率分布變化趨勢有很大的改善，路徑D的殘余曲率相對小一些，這說明越靠近中心殘余曲率越小。這是由于帶材邊部初始曲率大，而邊部與彎曲輥接觸較小，因此從邊部到中心受到的壓力增大，塑性變形也增大，殘余應力也就越小，帶材的曲率也就越小。

圖6 壓下量為21mm彎曲后不同路徑上的殘余曲率

2．4 拉彎卸載后帶材邊浪處殘余曲率分布

圖7 張應力為、壓下量為21mm拉彎后不同路徑上的殘余曲率

圖8為邊浪帶材經過拉伸、彎曲和拉彎卸載后，路徑A殘余曲率的比較。從圖8中可以更好地看出，比較拉伸、彎曲和拉彎3種矯直工藝，在不改變其他工藝參數的情況下，經過拉彎卸載后帶材的平直度獲得良好的改善，進一步驗證拉彎矯直機能更好地消除板形缺陷、改善帶材的平直度。

3 結論

（1）由于帶材初始曲率不同，同時受到相同張力作用，使得帶材邊浪處出現減薄現象造成變形過大，使得殘余應力較高，造成殘余曲率也較大。

（2）帶材從邊部到中心部位與彎曲輥接觸逐漸增大，則從邊部到中心受到的壓力增大，塑性變形也增大，殘余應力逐漸越小，帶材的曲率也就越小。

（3）拉伸、彎曲和拉伸彎曲3種矯直工藝中，拉彎矯直機能更好地消除帶材板形缺陷，改善帶材的平直度。

圖8 拉伸、彎曲和拉彎后殘余曲率比較

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