有限元在板材轧制过程中的应用

    1 前言
    金属板带热轧过程是一个非常复杂的弹塑性大变形过程, 既有材料非线性、几何非线性, 又有边界接触条件非线性变化, 因此其变形机理非常复杂, 难以用准确的数学关系式来描述。随着板带轧制技术的日益发展, 人们对其在成型过程中的变形规律、变形力学的分析越来越重视。有限元技术随着大型有限元模拟软件的日益成熟和完善, 已成为一种被广泛应用于板带轧制过程的有效的数值计算方法。
   
    ABAQUS软件提供了复杂的非线性分析程序，且拥有功能强大的子程序接口。因此无论是从计算收敛性、精确程度的角度，还是从方便程度的角度，均有较高的优选价值。
   
    2 板材轧制过程的应用分析
   
    2.1 钢板加速冷却过程中残余应力分析
    加速冷却工艺广泛应用于生产高强度、高韧性和具有良好焊接性的钢板，但客户却普遍反映钢板带有一定的残余应力，影响后续加工。这里用有限元方法分析了加速冷却过程中钢板的残余应力，并在其中嵌入了用户子程序，体现了相变对力学性能的影响。
   
    2.1.1 有限元模型
    模型中板坯采用了宽度为3.5m的低碳微合金钢，厚度分别为20mm、30mm、40mm和50mm。为节省计算时间并确保计算精度，板坯的长度定为4m，宽度方向按对称面取一半进行分析，如图1所示。材料的力学性能通过软件的用户子程序来实现，考虑到了冷却速度、相变及相变温度的影响。

     图1 板坯网格划分

    将冷却过程分为两个阶段，首先从750℃开始进行10s的喷水冷却，然后进行第二个阶段的空冷。对于20mm厚的板坯，水冷的平均冷却速度约为25℃/s，冷却到平均温度500℃截止。
   
    在分析切割后钢板的扭曲变形时，用到了ABAQUS 中element remove 的功能。作为初步研究，仅计算了切边宽度为500mm的情况。
   
    2.1.2 分析方案
    这里研究了板坯不同初始状况对残余应力的影响，板坯的初始状况包括初始温度分布及板坯凸度。初始温度分布包括整体750℃的均匀分布和边部710℃、心部750℃在宽度方向呈抛物线趋势的不均匀分布。板坯凸度是指板坯中部和边部厚度的差值，这里分别研究了凸度为0mm、0.25mm、0. 5mm 和1mm的情况。在实际生产中，初始温度均匀分布、凸度为0的情况是不可能存在的，模拟这种情况只是作为参照比较的依据。
   
    这里主要分析厚度为20mm的板坯，用以阐明初始状况对冷却过程的温度变化、残余应力分布、切割后的板条变形情况的影响。
   
    2.1.3 计算结果
    1. 初始状况对板坯温度的影响

             
a 凸度

b 初始温度度分布

c 厚度

d 凸度和初始温度分布

图2 各种因素对水冷后板坯温度的影响