宽板轧制过程金属变形规律的有限元法研究
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摘要
冷轧板带材作为一种工业原材料在国民经济各部门都有着重要的用途。随着钢材加工和成形工业生产由手动控制向高度自动化系统控制的发展，企业和用户对轧材几何形状和力学性能的精确性要求也越来越高。因此，进行更为深入的理论研究，提高科学水平，从而提高产品质量和市场竞争力就显得极为迫切。
本文主要工作是基于宝钢2030冷连轧机第一机架轧制参数进行的系统建模，运用弹塑性有限元方法研究了这个具有较大宽厚比情况下的宽板轧制过程，在考虑轧辊弹性变形的前提下分析了各种轧制条件如来料厚度、宽度、辊径、辊凸度、摩擦系数、压下率、张力的变化给轧制过程中金属变形和受力情况带来的影响的一般规律。为类似的宽板轧制中轧辊和轧件的耦合变形分析提供了参考和依据。其次，在有限元软件平台上通过对带凸度辊轧制平板和平辊轧制带凸度板材这两种轧制过程的研究分析了两类典型板形缺陷——中浪和边浪产生的一般机理。然后对起浪的带钢建立了有限元模型通过计算机模拟了施加张力时带钢的拉平过程，得出了起浪带钢在张力作用下发生屈曲变形的一般规律。
最后通过与现场调研数据的对比计算和与实验的间接验证，说明了前述工作和所建立的有限元模型的正确性与可靠性。
Cold rolling strip plays an important role in the domestic economy. With the development of steel processing and shaped industry from manual control to highly automatization system control. Corporation and consumer put a more and more precise demand on the geometry shape, mechanics performance of strip. Therefore carrying through a deeply theory research, advancing science level, and so that improve the product quality and market competition is become imminence.
This thesis mainly base on the rolling parameter of the first stand of the 2030 cold continuous rolling mill of Bao Steel and build a system model. Using the elastic-plastic finite element method to research such a broad strip rolling process with a preferably width-thickness ratio. Under the condition of calculating the elastic deformation of roller, the general law of metal deformation and force acted on it carried by the change of several rolling condition such as strip thickness, width, diameter and protruding of roller, fiction coefficient, reduction ratio, changing tension and so on was analyzed. Reference and gist was provided to the analysis of the couple deformation of the roller and strip during similar broad strip rolling. Then, through the research on such two rolling process as bending roller rolling flat strip and flat roller rolling bending strip in the FEM software circumstance, the general cause of two typical shapes disfigurement梞iddle wave and side wave were analyzed. And then . building the FEM model of waved strip to research its draw performance under the infliction of tension through the computer simulation, the general law of flections deformation of waved strip by the action of tension was find out.
At last, illustrating the correctness and reliability of the above works and the FEM model through contrast calculation and experiment validation.
本文主要工作是基于宝钢2030冷连轧机第一机架轧制参数进行的系统建模，运用弹塑性有限元方法研究了这个具有较大宽厚比情况下的宽板轧制过程，在考虑轧辊弹性变形的前提下分析了各种轧制条件如来料厚度、宽度、辊径、辊凸度、摩擦系数、压下率、张力的变化给轧制过程中金属变形和受力情况带来的影响的一般规律。为类似的宽板轧制中轧辊和轧件的耦合变形分析提供了参考和依据。其次，在有限元软件平台上通过对带凸度辊轧制平板和平辊轧制带凸度板材这两种轧制过程的研究分析了两类典型板形缺陷——中浪和边浪产生的一般机理。然后对起浪的带钢建立了有限元模型通过计算机模拟了施加张力时带钢的拉平过程，得出了起浪带钢在张力作用下发生屈曲变形的一般规律。
最后通过与现场调研数据的对比计算和与实验的间接验证，说明了前述工作和所建立的有限元模型的正确性与可靠性。
Cold rolling strip plays an important role in the domestic economy. With the development of steel processing and shaped industry from manual control to highly automatization system control. Corporation and consumer put a more and more precise demand on the geometry shape, mechanics performance of strip. Therefore carrying through a deeply theory research, advancing science level, and so that improve the product quality and market competition is become imminence.
This thesis mainly base on the rolling parameter of the first stand of the 2030 cold continuous rolling mill of Bao Steel and build a system model. Using the elastic-plastic finite element method to research such a broad strip rolling process with a preferably width-thickness ratio. Under the condition of calculating the elastic deformation of roller, the general law of metal deformation and force acted on it carried by the change of several rolling condition such as strip thickness, width, diameter and protruding of roller, fiction coefficient, reduction ratio, changing tension and so on was analyzed. Reference and gist was provided to the analysis of the couple deformation of the roller and strip during similar broad strip rolling. Then, through the research on such two rolling process as bending roller rolling flat strip and flat roller rolling bending strip in the FEM software circumstance, the general cause of two typical shapes disfigurement梞iddle wave and side wave were analyzed. And then . building the FEM model of waved strip to research its draw performance under the infliction of tension through the computer simulation, the general law of flections deformation of waved strip by the action of tension was find out.
At last, illustrating the correctness and reliability of the above works and the FEM model through contrast calculation and experiment validation.
引文
1 王海文．轧钢机械设计．机械工业出版社．1986：8-34
2 王国栋．板形控制和板形理论．冶金工业出版社，1986：1-125
3 魏立群．板带宽度对板凸度的影响．钢铁研究学报．1995，(6)：12-16
4 丁作礼．板形控制技术的现状与发展．轧钢理论文集．轧钢学会，1994：46-53
5 吴观佳．HC 轧机的研究及其应用概况．武汉钢铁学院学报．1993，(3)：23-26
6 渡边英一．制铁研究．1981，No．304：37-45
7 孙铁凯，赵永和．WRS 轧机板形控制特性的研究．东北重型机械学院学报．1991，(2)：9-12
8 曾建伟，唐伟林．板带材截面和平直度控制．钢铁．1988，(2)：1-34
9 W. Bald. Continuously Variable Crown(CVC) Rolling.Iron and Steel Engineer. 1987, (3):21-24
10 H．Aratani，R．Ozono，T．Nakano．成对交叉辊(PC)轧机在带钢热轧和冷轧机中的应用．国外钢铁．1994，(3)：14-16
11 Jiachuang Lian. Analysis of Profile and Shape Control in Flat Rolling. Proc of The First International Conference on Steel Rolling. Tokyo, Japan, 1980, (2): 68-80
12 刘宏民等．带材轧制前后张力横向分布的研究．中国金属学会第三届压力加工设备年会论文．1987，(8)：45-52
13 刘宏民．板形理论的研究现状与发展方向．钢铁．1993，(2)：75-79
14 连家创，段振勇，芦盛江．带材轧后失稳大挠度屈曲变形的研究．东北重型机械学院学报．1985，(2)：31-35
15 Xianlin Chen, Jiaxiang Zou. A Special Finite Element Method For Investigating Controlling Factors Affecting Behavior of Rolls and Strip Flatness. 4th International Steel Rolling Conference. Vol. 2, June, 1987: 68-74
16 王国栋，张树堂．四辊轧机轧辊弹性变形的矩阵计算法．重型机械．1982，(8)：9-18
17 GuoJi Li. Spread Analysis in Rolling by the Rigid-Plastic Finite Element Method. Numerical Methods in Industrial Forming Process. Pineridge Press. 1982, (8): 6-25
18 连家创，刘宏民．板厚板形控制．兵器工业出版社，1996：1-45
19 刘玉礼．板厚板形综合调节新型四辊轧机的试验与理论研究．[秦皇岛燕山大学博士论文]．1988：2-25
20 C. Liu, P. hartley, C. E. N. Sturges, G. W. Rowe. Finite-Element Modeling of Deformation and Spread in Slab Rolling. International Journal of Mechanical Science. 1987, (29): 271-285
21 杜凤山．三维弹塑性有限元法模拟板带轧制过程．[秦皇岛燕山大学博士学位论文]．1990：1-86
22 M. Kawka, L. Olejnik. Simulation of Wrinkling in Sheet Metal Forming. Journal of Material Processing Technology. 2001, (109):283-289
23 Masaru, Okado. A New Shape Control Technique for Cold Strip Mills. Iron and Steel Engineer. 1982, (6): 56-60
24 张树堂等．轧制超薄带时平整度的研究．钢铁．1987，(10)：24-28
25 户泽康寿，中村雅勇，石川孝司．三次元解析方法算例．塑性加工，1976，(17)：37-44
26 彭钢贤等．前张力对板形影响的研究—刚塑性有限元法求解变形区中金属三维流动．钢铁研究总院学报．1986，(6)：25-28
27 Von. Karman. The Theory Of Rolling. Z. Angew. Vol, 5. Mach, 1925
28 Orowan. E. The Calculation of Roll Pressure in Hot and Cold Rolling. Proc Inst. Mech Enghs. Vol, 150. 1943
29 连家创．轧机基本理论进展．西安机械研究所出版．1983：3-45
30 J. Rojek, E. Onate, E. Postek. Application of Explicit FE Codes to Simulation of Sheet and Bulk Metal Forming Processes. Journal of Materials Processing Technology. 1998, (80-81): 620-927
31 M.D. Stone. Rolling of thin Strip. Iron and Steel ngrs. Vol. 30, 1953, (2): 15-19
32 R. B. Sims. Calculation of Roll Force and Torque in Hot Rolling Mills. Proc. Inst. Mech Engrs. Vol. 168. 1954:34-36
33 曹鸿德．塑性变形力学基础与轧制原理．机械工业出版社，1984：48-65
34 Alexander.J.M On the Theory of Rolling.R. Soc.London.1972:5-21
35 石川孝司，户泽康寿，中村雅勇，加藤隆，加藤宪明．各种压延条件压延压力分布．塑性加工．1981，22(247)
36 户泽康寿等，申光宪译．关于薄板的三元轧制理论．东北重型机械学院．1982：3-145
37 连家创．变分法求解辊缝中金属的横向流动问题．东北重型机械学院学报．1980，(1)：1-10
38 赵志业，王国栋．现代塑性加工力学．东北工学院．1984：14-20
39 加藤隆，户泽康寿，中村雅勇，石川孝司，井上健次．多点同时压力测定开发．塑性加工．1980，21(236)：800-806
40 O．C．齐基威茨．Y．K 著．结构和连续力学中的有限单元法，国防工业出版社，1975：26-80
41 K. Mori, K. Osakada and T. oda. Simulation of Plane Strain Rolling by the Rigid-Plastic Finite Element Method. Int, J.Mech. Sci. 1989, (24):76-82
42 刘相华．刚塑性有限元及其在轧制中的应用．冶金工业出版社．1994：4-24
43 刘宏民．三维轧制理论及其应用．科学出版社，1999：21-65
44 肖宏．三维弹塑性接触问题的边界元法及其在板带轧制过程分析中的应用．燕山大学学报．2000，(4)：363-368
45 连家创，段振勇，叶星．三维解析法求解辊中金属横向流动问题．东北重型机械学院学报．1984，(3)：1-9
46 乔端，钱仁根．非线性有限元法及其在塑性加工中的应用．冶金工业出版社，1990：1-50
47 刘相华，白光润．三维平板轧制问题的刚塑性有限元分析．轧钢理论文集．第二集(下)．1983：10-25
48 Annika Nilsson. FE Simulation of Camber in Hot Strip Rolling. Journal of Material Processing Technology. 1998, (8):12-16
49 Esa Ervasti, Ulf Stahlberg. Behaviors of Longitudinal Surface in Hot Rolling of Steel Slabs. Journal of Material Processing Technology. 1999, (94): 6-15
50 Edberg, Jonas. Efficient Three-Dimensional Model of Rolling Using an Explicit Finite-Element Formulation. Communications in Numerical Methods in Engineering. 1993, (7): 22-26
51 John D. Reid, Dean L. Sicking. Design and Simulation of a Sequential Kinking Guardrail Terminal. Int. J. Impact Engng. 1998, (9):43-47
52 刘立忠，刘相华，王国栋．轧制过程的显式动力学有限元法模拟．东北大学学报．2001，(3)：56-60
53 刘立忠，刘相华，姜正义．利用显式动力学有限元法模拟平板轧制过程塑性工程学报．2001，8(1)：20-25
54 左旭，卫原平等．金属体积成形三维数值仿真的研究进展．力学进展．1999，29(4)：4-10
55 王勖成，邵敏编著．有限单元法基本原理和数值方法．清华大学出版社，1997：12-56
56 杜凤山，刘才，连家创．轧制过程中板形控制的计算机模拟．机械工程学报．1992，(6)：45-50
57 刘立文，张树堂．张力对冷轧板带变形的影响．钢铁．2000，(4)：37-39
58 王艳文，康永林，余志勇．轧制方坯的三维弹塑性有限元研究．钢铁．2000，(2)：24-28
59 塑性加工理论及新技术开发学术交流会论文集．中国金属学会轧钢学会．1991：4-108
60 刘立文．冷轧薄板金属三维变形规律的研究．[北京科技大学博士学位论文]．1998：2-48
61 王宏旭．板形计算理论和工作辊辊型优化曲线的研究．[秦皇岛燕山大学博士学位论文]．1996：2-26
62 刘宏民．四辊轧机冷轧带材压力摩擦力张力横向分布的理论和实验研究．[秦皇岛燕山大学博士学位论文]．1988：2-56
63 肖宏．三维弹塑性边界元法模拟板带轧制过程的研究．[秦皇岛燕山大学博士学位论文]．1991：2-32
64 彭艳．基于条元法的 HC 冷轧机板形预设定控制理论研究及工业应用．[秦皇岛燕山大学博士学位论文]．2000：1-26
65 周维海．板带热连轧的计算机仿真．[秦皇岛燕山大学博士学位论文]．1999：1-35
66 杜凤山，刘才，连家创．三维弹塑性有限元法模拟薄带轧制过程(Ⅰ)．东北重型机械学院学报．1989，(2)：47-53
67 杜凤山，刘才，连家创．三维弹塑性有-限元法模拟薄带轧制过程(Ⅱ)．东北重型机械学院学报．1991，(2)：100-106
68 肖宏，申光宪，连家创．三维弹塑性边界元法模拟板带轧制过程．钢铁．1993，(3)：39-43
69 V．B．金兹伯格，姜明东，王国栋等译．高精度板带材轧制理论与实践．冶金工业出版社．2000，(9)：1-212
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56 杜凤山，刘才，连家创．轧制过程中板形控制的计算机模拟．机械工程学报．1992，(6)：45-50
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64 彭艳．基于条元法的 HC 冷轧机板形预设定控制理论研究及工业应用．[秦皇岛燕山大学博士学位论文]．2000：1-26
65 周维海．板带热连轧的计算机仿真．[秦皇岛燕山大学博士学位论文]．1999：1-35
66 杜凤山，刘才，连家创．三维弹塑性有限元法模拟薄带轧制过程(Ⅰ)．东北重型机械学院学报．1989，(2)：47-53
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69 V．B．金兹伯格，姜明东，王国栋等译．高精度板带材轧制理论与实践．冶金工业出版社．2000，(9)：1-212