基于ANSYS高速钢轧辊的有限元分析
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摘要:根据某钢厂高速钢轧辊轧制板材的情况,采用大型有限元软件ANSYS建立了高速钢轧辊工作过程的三维热-力耦合模型,并根据实际工艺过程确定了模拟计算时需定义的边界条件,得到了工作辊工作后的轧制力分布、温度变化规律及热应力变化规律。探究裂纹扩展的基本规律,为提高高速钢轧辊寿命、降低实验成本奠定了基础。
关键词:工作辊 高速钢 ANSYS
1.有限元分析
选择单元:辊身采用弹性材料,辊径采用刚性材料。轧件以一定的速度咬入轧辊,在轧制力作用下轧出。将模型的密度放大100倍进行分析,缩短计算时间。采用隐式格式求解多维问题,本文对轧辊的研究采用以下基本假设:连续性假设,完全弹性的假设,均匀性假设,各向同性假设,小变形假设。采用平面应变理论进行建模与分析。
模型简化:由于轧制过程的复杂性以及计算条件的局限性,在模拟时需要对实际轧制过程做一定的简化与假设,由于轧辊在工作过程中既受轧制力的作用,又受温度变化的影响,因此本文利用ANASYS 软件,采用SOLID5热―应力直接耦合单元建立模型。考虑到轧辊的对称性,故采用实体的1/4进行建模。其建模方法是首先建立2个组合矩形,然后沿特定的轴将2哥组合矩形旋转360度形成圆柱体,然后对工作辊和支承辊的辊身和辊颈进行布尔运算,先进行体粘合,然后对相关粘在一起的线和面进行加运算,目的是减少节点的数目和内部边界,使模型成为一个无缝的整体,有利于得到准确的结果,同时也大大减少了计算时间。工作辊的长度要比轧件宽度多出0.01m,这是为了避免出现沙漏现象。轧件的长度为轧制时间乘以轧件速度,但要比计算出的长度大一些,目的是满足有一个完整的轧制过程,同时也要保证工作辊能完全的工作一周。
网格划分:将轧件等划分为体单元,主要目的是将每一个体划分成一个规则的六面体,这样在接下来的划分网格过程中将模型划分为规则的“六面体单元”,对辊套表面和轧件进行的细致划分,对芯部采取了简单的映射划分,因为研究的主要对象就是工作辊辊套,对其划分11660个单元。选用六面体单元,这种单元计算精度高,且计算代价低。
2.分析结果
2.1 应力场分析
轧制力是轧制过程中重要的过程参数,轧制力的大小直接影响辊套的正常工作,本文将轧制力分为轧件表面作用力和工作辊表面作用力,为此正确分析其值,对工作辊表面裂纹扩展情况有重要的参考价值。采用ANSYS-LS DYNA后处理器,可获得更好的轧件表面作用力和工作辊表面作用力的变化图像。
(1)工作辊表面的作用力在轧制的初期由于与高温轧件的接触,变化幅度较大,随着轧制的进行增幅趋于稳定,平均增幅在150 左右,在0.7S时由于和支承辊接触产生巨大的摩擦力,变化幅度比较剧烈,轧制结束后,工作辊表面的作用力稳定在4000 。
(2)工作辊等效应力比较大的区域有3个,与轧件接触区、与支承辊接触区、辊径与辊身连接处,其中与支撑辊接触区域的等效应力变化最大,最大值为450Mpa,此处容易更大塑性区。辊径与辊身连接处,由于受到约束较大,所以其等效应力变化最小。
2.2 温度场分析
温度是是轧制过程中重要的过程参数,温度的变化可以影响轧辊的某些物理特性,也会影响对流换热系数的变化,轧制过程中的轧辊温度场的研究,对于分析轧辊的热变形、轧辊热应力,具有重要的理论以及实际意义。同时温度的变化也是产生热应力的主要因素,在裂纹扩展的过程当中也起到重要作用。因此对温度场的分析具有重要的参考价值。轧辊的热输入可归纳为两类:一是轧件变形产生的热量通过热传导方式转给了工作辊,二是工作辊与支撑辊接触,因摩擦产生的热量传给了工作辊,金属在轧制过程中产生的变形热能,50%―70%被冷却液带走,15%―25%被轧件带走,2%―3%存储在轧辊内部,其余散失在周围介质中,轧辊存储的热量和有摩擦产生的热量,是共同引起轧辊温度升高。在热轧时,轧件温度还直接影响轧辊温度的升高。
工作辊工作一周以后,温度影响的范围不大,大约18mm,变化比较剧烈,最大值为480°,最终稳定在90.25°。
2.3 热应力分析
热应力是产生轧辊表面热疲劳的主要原因,热疲劳裂纹随着轧制时间的延长会从工作辊表面向芯部扩展,如果不及时磨掉,不但影响工作辊的使用,更会对轧件的质量产生影响。
(1) 工作辊工作一周以后,热应力的影响范围大约为22mm,轴向和环向应力的变化趋势大体一直,先是压应力,后突然变成拉应力,在与轧件接触时变化剧烈,压应力最大值为1000MPa左右,拉应力最大值为800MPa左右,而径向应力的变化规律与之相反,最后,在轧制结束后,三种应力都变为0。
(2) 工作辊表面与轧件接触时,由于热膨胀受到约束,结果环向及轴向产生压应力,如果此应力值高于高速钢轧辊的抗压强度的极限,就会产生塑性变形,而径向会产生拉应力,此应力使得表面向脱离辊身方向运动,由于径向应力处于工作辊的亚表面,而且应力值也较小,故径向应力对对工作辊表面裂纹影响不大。
3.结论
利用大型有限元软件ANSYS,建立了高速钢轧辊的热轧过程的热-力耦合模型,并结合某厂轧制过程的实际情况,确定了模拟计算时需定义的各类边界条件,得出了轧辊轧制后的应力,温度分布,热应力变化规律符合实际的生产情况,以及相关文献的实验结论,为提高轧辊寿命,降低实验成本奠定了基础,并为同类相关问题提供了一定的基础。
参考文献:
[1] 符寒光,邢建东.高速钢轧辊制造技术[M].冶金工业出版社.2007年6月
[2] 刘相华.万能孔型中带张力轧制H型钢的研究[D].东北工学院,1985.12.
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