利用有限元确定带材辊式矫直机的压弯量
2014-05-31高聪敏张勇安刘忠宝秦建平周存龙
高聪敏,张勇安,刘忠宝,常 瑜,秦建平,周存龙,金 莉
(1.中国重型机械研究院股份公司,陕西 西安 710032;2.太原科技大学,山西 太原 030024)
0 前言
近年来,带材发展的重点正从追求产量转移到追求质量,国内钢铁生产厂家急需附有新技术的辊式矫直机,特别是用于高精度带材精整线上的辊式矫直机。而要提高其精度,合理的压弯量至关重要。由于带材在辊式矫直过程中弯曲变形、微观组织的变化等都是非常复杂的问题,而利用解析法描述矫直变形过程的难度很大。因此本文采用显式动力有限元分析软件ANSYS/LSDYNA建立了有限元模型,对所建模型进行沙漏及其能量分析确定其合理性。通过对仿真结果的分析确定其合理的压弯量。
1 带材辊式矫直机有限元模型的建立
带材在矫直过程中变形复杂且宽厚比大,所以在建立带材辊式矫直有限元模型时,要对模型进行简化。本文建立的辊式矫直机模型为23辊辊式矫直机,上辊为11个辊,下辊为12个辊。同时增加了2个夹送辊,夹送辊没有压弯量。下辊距总和为550 mm,带材长度取为600 mm。考虑到带材矫直过程的对称性,减少单元数目,以带宽中心面为对称面,取1/2建模。带材单元总数为30 000个。带材有限元矫直模型见图1。
图1 带材有限元矫直模型Fig.1 Finite element model of steel strip straightening machine
采用常用的8节点实体单元SOLID164进行模拟,采用单点积分求解方式。根据分析的实际情况确定参数见表1,矫直辊和模拟分析中带材的材料参数分别见表2和表3。
表1 辊式矫直机基本参数Tab.1 Basic parameters of roller-type straightening machine
表2 矫直辊材料参数Tab.2 Property of straightening roller material
表3 模拟分析中带材的材料参数Tab.3 Property of steel strip in simulation
2 对模型进行沙漏及其能量分析
图2和图3为沙漏和控制沙漏的示意图。
图2 沙漏示意图Fig.2 Schematic of hourglass
图3 控制沙漏示意图Fig.3 Schematic of controlling hourglass
图2的网格划分长×宽×高为(500×10×4)20 000个单元,有沙漏。图3的网格划分长×宽×高为(500×10×6)30 000个单元沙漏得到控制,说明本文网格划分基本合理。
为确保分析的正确性从能量角度再加以分析,下面分析了两种不同压弯量下沙漏能和内能的比例关系:1)入/出口压弯量为-1.12 mm/0 mm;2)入/出口压弯量为-0.896 mm/0 mm。沙漏能和内能关系示意图见图4。
图4 沙漏能和内能的示意图Fig.4 Schematic of hourglass energy and internal energy
图4a、b为当时间分别为0.1 s,0.2 s,0.3 s,0.4 s时,对应时刻的沙漏能和内能的比例关系约为:3.6%,4.7%,5.1%,5.2%,再往后比例值趋向于5.2%。图4c、d当时间分别为0.1 s,0.2 s,0.3 s,0.4 s时,对应时刻的沙漏能和内能的比例关系约为:4.7%,5.9%,6.85%,6.9%,此后比例值趋向于6.9%。比较两种压弯量下的沙漏能与内能比值,说明第一种压弯量的结果更好些,整体来说,沙漏能与内能的比值的最大值都没有超过10%,说明建的模型能保证分析的准确性,进一步说明分析结果可以接受,沙漏得到有效控制。
3 对仿真结果进行分析确定压弯量
取3 mm厚带材分4种情况进行模拟分析,分析条件如下:
带材规格(长x宽x厚)为600 mm×75 mm×3 mm,4种情况下入/出口压弯量分别为-2.00 mm/0 mm、 -3.00 mm/0 mm、 -1.120 mm/0 mm、-0.896 mm/0 mm,夹送辊位置-75 mm,矫直辊速度128 rad/s,求解终止时间0.5 s,模拟情况如图5所示。
图5 仿真结果Fig.5 Result of simulation
图5a为当时间进行到0.905 s时,带材刚要经过第9个矫直辊,再继续矫直,带材有后退迹象并在第9辊处沿矫直方向前后摆动。图5b为当时间进行到0.05 s时,带材经过了第5个矫直辊,与第个6矫直辊刚接触上,同样再矫直,带材有后退迹象,并在第5、6个辊之间沿矫直方向前后摆动。对图5c和图5d分析发现可以实现带材矫直,说明设置合理的压弯量对带材矫直来说很重要。
图5的分析条件只是压弯量不同,并且压弯量越来越大,当压弯量小时,带材可以矫直到第9辊,随着压弯量的增大,带材可以矫直到第7辊,压弯量再大只能矫直到第5辊,说明随着压弯量的增大,实现矫直过程会越来越困难。其原因是压弯量太大,矫直过程中沿矫直方向前进的动力太小。
4 结论
本文对所建有限元模型首先从沙漏能角度对模型进行了分析,沙漏能小于内能的10%说明了分析结果可以接受,保证了分析的正确性,其次对3 mm厚板材不同压弯量的仿真结果进行了分析,通过比较最终确定了其合理的压弯量,当被娇直带材厚度为3 mm时,合理的压弯量应小于1.12 mmm。从实例可见,在工程上使用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件有时比解析法更方便和实用,且计算模拟过程非常形象直观。
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