冷弯中梁成型过程数值模拟研究.pdf

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冷弯中梁 冷弯成型 冷弯中梁成型 PDF 冷弯中梁成型过程数值模拟研究 成型过程
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·32· 重型机械 2010 No.5 冷弯中梁成型过程数值模拟研究 高洪军1,高文辉2,刘津伟1 (1.鞍钢股份有限公司工程事业部,辽宁鞍山 1 14021; 2.中国重型机械研究院有限公司,陕西西安710032) 摘要:对大型外卷边槽钢产品冷弯中梁的辊弯成型过程进行了三维弹塑性有限元模拟,详细的 分析了成型过程当中的变形情况、应力分布情况、应变分布情况,并与现场情况进行了比较,趋势吻 合较好。验证了模型的准确性,为成型相关产品的过程提供了理论基础。 关键词:冷弯中梁;辊弯成型;有限元模拟 中图分类号:TG334.13 文献标识码:A 文章编号:1001—196X(2010)05—0032—03 Study of numerical simulation in cold-rolled forming of center sills GAO Hong-junl,GAO Wen—hui2,LIU Jin.weil (1.Division of Engineering Business,Angang Steel Co.,Ltd.,An'shan 114021,China; 2.China National Heavy Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Xi’an 710032,China) Abstract:Three-dimensional elastoplastic finite element method is adopted tO simulate the rolled forming process for cold—wiled center sills of large-scale channel section products with outer edge.The deformation, stress distribution and strain distribution in forming process were analyzed in detail and compared with site con- ditions and they agree well with each other and verified the accuracy of model which provides theoretical founds- tion for the forming process of relevant products. Key words:Cold·roiled center sills;rolled forming;finite element simulation 1 前言 不同规格的冷弯中梁产品可以广泛的应用于 铁路车辆、汽车、建筑等承重结构…。冷弯中 梁为辊弯成型,辊弯成型过程属于大变形,变形 过程非常复杂。 由于难以通过试验得到较好地成型工艺,目 前常采用有限元模拟冷弯成型,如法国的M. Brunent【2’等人利用弹塑性有限元法分析了板料 的辊弯成型过程,德国data M公司“1的工程人 员也对辊弯成型的有限元数值模拟进行了研究, 并在其辊弯成型设计软件COPRA中增加有限元 仿真模块COPRA.FEA.RF,具有一定的通用 收稿日期:2010—05—16;修订日期:2010—07—20 作者简介:高洪军(1964一),男,鞍钢股份有限公司工程师, 主要从事鞍钢技改工程项目实施管理。 性,Zeng,J等H1应用三维显式有限元ANSYS/ LS—DYNA模拟了板坯轧制过程,分析了各工艺 参数对成型过程的影响。 本文通过显式有限元理论对12辊成型过程 进行数值模拟,直观的分析轧件在辊缝中的变 形、受力情况。有助于了解和掌握冷弯成型过程 的变形规律,对指导实际生产起到积极作用。 2计算模型的建立 冷弯中梁产品规格为600 mm×312 rain× 12 rain,采用连续辊弯成型,产品断面如图1所示。 在成型过程中,弹性变形和塑性变形同时存在。 为了不拉长带坯,在冷弯中梁成型过程中每 道次或每对成型辊仅对变形材料施加有限的弯曲 变形。根据冷弯中梁材料的性能和型材形状的复 杂程度以及机组的实际情况,确定冷弯中梁的成 型道次为:9架平辊,2架立辊,3架万能机架 万方数据 2010 No.5 重型机械 ·33· 辊,2架校直辊。平辊是主动辊;立辊是被动 辊,不参与变形。 图1 LWW型冷弯中梁 根据场地情况机架间距统一为l 200 mm。 为了使轧制过程不出现堆钢现象,选择线速度递 增方式,第一机架为导人辊,没有孑L型,在模拟 中可以忽略这个辊的作用,因此取第二机架为轧 制中的第一个机架,其轧制速度为200 mm/s, 而最后两个机架变形角较小,处于平整阶段,其 轧制速度与前一机架相同。 采取单机架传动,所有的上辊均为被动辊,依 靠下辊带动带钢摩擦转动。为减少计算规模,考虑 冷弯中梁的对称性,取其1/2部分进行有限元建 模,在实际建模中,计算带钢宽为l 160 nlnl,取所 有机架间距离做为模拟带钢长度,为13 200 nlnl。 轧辊均为回转表面结构,总计25个轧辊,按照实 际机纠I顷序摆放。 多道次辊弯成型计算规模仍然太大,又考虑 到多道次辊弯成型为薄板轧制,而又具有较强的 非线性,使用四边形壳单元S4R,它具有有限膜 应变、增强沙漏控制和缩减积分的特点∞J。通 过多次试验和对结果的详细分析,最后决定采用 半自动质量缩放,把所有的稳定时间增量小于l x 10~s的单元放大至1 X 10一s。在整个分析步 中共进行10次质量缩放。对求解产生的影响较 小,也极大地缩短了求解的时间。 轧辊均为解析刚性体,因此只需对带钢坯料 进行网格划分。对于冷弯型钢的轧制来说,带钢 在弯角处的变化比较大,受到的应力也最大,因 此在单元划分时对弯角处细分网格,这样既提高 了计算的精度,也不影响速度。网格划分的具体 情况如图2所示。 在模拟中按理想Q450材料进行计算,E为 图2网格划分示意图 210 GPa,强化系数K取620 MPa,岛为0.002 143, 硬化指数n取0.115 6。创建对应板坯的截面(s盼 tion),设置厚度为12 nlnl,simpson积分方式,在 厚度方向设置5个积分点,可以获得每个积分点分 层面上的力能参数。为了更真实的反应实际的轧制 过程,本文对模拟过程设定了一系列的边界条件。 对于每个辊子,限定只允许轴向转动,板坯为壳结 构,限制对称边上的Y向位移(带宽方向)、菇向 (与带钢表面垂直)转动以及彳向(轧制方向)转动, 以保证轧制过程和实际尽量一致。 3计算结果分析 3.1 板坯金属变形分析 图3a一3c为板坯轧制过程成型状态,由于 板坯长度为所有机架间距离,所以可以对整个成 型过程进行全流程分析。实际生产过程中为12 机架成型,其中除第一机架外,模拟剩余11机 架。从图3可以看出,板料在整个辊弯成型过程 中,成型稳定,没有边波等缺陷产生。 图3冷弯中梁成型过程 (a)2—4道次(b)5—8道次(c)9一12道次 3.2成型过程应力分析 图4a~4c是坯料经过第2道次、第5道次、 第10道次轧辊时的Mises应力变化情况。坯料 在通过2一.3道次时,成型辊对外弯角与内弯角 同时进行一定角度弯曲,在两角部的应力都比较 大。坯料在通过4—6道次时,成型辊只对外弯 万方数据 ·34· 重型机械 2010 No.5 角弯曲,并且在第6道次有2。过弯,在第6道次 外弯角应力最大。坯料在通过7—12道次时,成 型辊只对内弯角弯曲,7一lo道次内弯角处的应 力均比较大,而11—12道次虽然也对内弯角弯 曲,但是由于角度变化比较小,属于平整辊,所 以内弯角处应力相应较小。以上结果表明。在每 道次机架上,成型辊对坯料成型时,在改变截面 形状位置处的应力最大。 4结论 盖尹篆,龇朱龇冷弯中梁的孔数计 应用显式有限元理论模拟了工厂中实际运行 [J]·焊管,2008t 31(03):45—47· 机组的产品成型过程。基于动力显式算法,通过 [2]Brunet M,Mguil S,Pol P·Modelling of a roll-form- 设定对称边上的边界条件以及给定初始速度场, 1Ilg p眦888访‘h a。哪bined 2D舳d 3D FEM。ode 建兰冷弯妻梁多道次成形望妻限元模型。研究模 :嚣,8Jo。u—rn8all:芝13M—at2eril9a1.8 P眦嘲ing‰hn010吼型建立、单元选择、边界条件、摩擦模型和回弹 [3】sedl。:la:盱A,≤J.P嘲嘲si删岫ion明d叫出y 等关键问题,提出适合于多道次辊弯成形分析的 嘲n。觥m for dle mⅡ咖Ilg indu咖….Ad二ced 数值模拟方法,对实际生产的外卷边槽钢辊弯成 ‰I啪l嘟of P1鹊ticity,1999,9(3):2 381—2 386. 形过程进行分析。结果表明,所提出的数值模拟 [4]Zeng J,Liu z,ch锄pli¨d H.FEM dynamic simu. 方法能有效地分析多道次辊弯成型过程中型钢的lation and analysis of the roll.bending process for form- 成形情况。同时为成型其他同类产品过程提供了 ing a conical tube[J].Journal of Materials Processing 参考。Technology,2008,198(1—3):330—343· (上接第31页) 同一机架的三个轧辊的速度不一致,在圆铝杆轧 参考文献: 制过程中,这种速度差会导致轧辊与圆铝杆之间’[1]施动成.轧钢机械理论与结构设计[M].北京: 不是纯滚动,而且存在相对的滑动运动。轧制时 机械工业出版社,1993. 这种相对滑动的存在,不仅会造成圆铝杆表面的 心1 慧气黜嚣研究及应刖州· 刮擦划伤和麻面斑痕等表面缺陷,而且当轧制温 [3]任吉堂.连铸连轧理论与实践[M].北京:机械 度较低时,会造成圆铝杆表面形状的差异,在连 工业出版社,20(0. 轧过程中,会形成麻坑、起皮、分层、裂纹等, [4]王祝堂李铝合金及其加工手册[M].北京:科量鍪璧曼!篓2毫夏罂曼至皇竺?苎。!妻字。5,誓岩巍耋虢产编写组.高速轧机线材生产 直齿圆锥齿轮零部件的设计与加工精度的同时, ”。f‘ilj:蒹}喜蓑出器i199”5”.8“…~”。‘7 重视和提高安装精度,是保证和提高圆铝杆表面 [6]康永林.轧制工程学[M].北京:机械工业出版 质量的有效途径。 社.2004. 万方数据
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