王式研+陈敏+陈莹卷

摘 要：利用有限元分析软件ABAQUS对二辊矫直的矫直过程进行数值模拟，得到棒材在矫直过程的矫直力随时间的变化规律，并对矫后棒材的塑性应变进行了分析。数值分析结果中矫直力与现场情况基本吻合，文章仿真结果可以为实际生产提供指导。

关键词：有限元；二辊矫直；塑形应变

中图分类号：TG333 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）03-0173-02

Abstract： The finite element analysis software ABAQUS was used to simulate the straightening process of two rollers， and the rule of the bar straightening force with time was obtained. The plastic strain of the straightened bar was analyzed. The results of numerical analysis show that the straightening force is basically consistent with the field situation， and the simulation results in this paper can provide guidance for practical production.

Keywords： finite element； two-roll straightening； plastic strain

引言

随着国内机械行业的快速发展，人们对棒材的质量要求越来越高，因此，对于棒材的精整显得尤为重要[1]。二辊矫直机与其他矫直机相比具有矫直精度高、结构简单的优点而被广泛采用[2][3]。棒材弯曲过程涉及到复杂的弹塑性大挠度弯曲变形问题，有限元方法对于研究复杂问题非常有效。

本文使用大型非线性有限元软件ABAQUS对棒材二辊矫直过程进行数值模拟，分析了矫直过程中的矫直力以及矫直后的应力、应变和直线度等重要参数。数值模拟结果和现场数据基本吻合。

1 动力显式有限元基本理论

动力显式有限元基本方程为

Mu+Cu+p=F （1）

式中：M-质量矩阵；C-阻尼矩阵；p-内力矢量；■、■-节点速度、加速度矢量。

通常采用中心差分法求解上面方程。tn时刻的速度、加速度中心差分公式分别为：

（2）

（3）

把式（2）、式（3）代入式（1），就得到求解各离散时间点的递推公式：

显示算法方程非耦合，可以直接求解，所有非线性包含在内力矢量中，内力计算是最主要的部分，不需要做收敛检查，但是要保持稳定状态需要较小的时间步，是有条件稳定的，即时间步长必须小于由该问题求解方程性质根据Courant Friedrichs Levy稳定准则所决定的[4][5]。

2 有限元模型建立

2.1 有限元几何模型

针对棒材二辊矫直机矫直过程，采用国内某钢厂提供的工艺参数，利用大型非线性有限元软件Abaqus建立有限元模型。

在工件建模的过程中，为了缩短计算时间和分析方便，模型中工件长度只取1m，工件初始挠度8mm/m，直径40mm。

2.2 材料模型

矫直辊、推板、挡板、入口套筒和出口导槽，变形极小，故设定为刚体。棒材选择16MnCr5钢，密度？籽=7.85×10-9·mm-3，弹性模量E=210000MPa，泊松比？滋=0.3，棒材真实应力应变关系如表1所示。

2.3 边界条件和网格划分

模型的边界条件设定完全参考现场矫直机实际矫直情况，在初始状态时，各矫直辊沿自己的轴线空转，沿轧制方向分速度为25m/min。棒材与各矫直辊的摩擦系数0.2；设置棒材与挡板、入口套筒和出口导槽为径向无摩擦接触。棒材单元选择线性六面体单元C3D8R。

3 结果分析及讨论

3.1 矫直力分析

仿真计算时需确保该运动过程为理想准静态过程，在整个二辊矫直过程中上下辊的支反力随时间变化曲线如图1所示。从图1中可以看出随着棒材的逐渐咬入，矫直力逐渐增大，在0.469s处达到最大值，此时棒材端部刚刚通过矫直辊的中间段，说明此时才开始对棒材进行弯曲，而此时由于棒材具有一定初速度的冲击作用，导致矫直力偏大，随着进入稳定矫直阶段，矫直力有所降低，并且在稳定矫直阶段矫直力比較稳定。在矫直过程的末端，随着棒材尾部逐渐走出辊缝，矫直力也随之减小，最大矫直力为470kN。

3.2 应变分析

二辊矫直过程中最需要关注的是棒材的塑性应变情况，其关乎棒材是否能够矫直，因此对矫直过程中不同时段棒材的等效塑性应变分布进行分析。从图2（a）可以看出，棒材刚咬入辊缝时，发现只有棒材头部与矫直辊接触区域发生塑性变形。由于棒材具有初速度，在咬入时棒材头部容易发生应力集中。图2（b）为棒材通过辊缝中段时，此时棒材头部已经发生较大的变形。

图2（c）和图2（d）分别为棒材稳定矫直阶段、棒材矫直后的等效塑性应变分布，从中我们可以看出进入稳定矫直阶段，棒材发生更大变形，同时已经矫直段的等效塑性应变分布均匀；出料后棒材头部的塑性应变较大，尾部的塑性应变较小，中间区域塑性应变分布均匀。头部塑性应变较大是由于初速度过大造成的，而尾部变形小是由于在实际矫直过程中由于辊缝参数设置大于棒材的直径，从而造成了棒材的两端在通过矫直辊时未发生弯曲，该区域也是二辊矫直的盲区。

4 结束语

（1）通过有限元模型分析了棒材矫直过程中的矫直力随时间变化规律，得出了棒材咬入时矫直力最大的结果，可以为矫直机的强度设计提供参考。

（2）分析了矫直过程及矫直后的等效塑性应变情况，得到了棒材的塑形应变云图。

参考文献：

[1]崔甫.矫直原理与矫直机械（第二版）[M].冶金工业出版社，2005，04.

[2]王云.棒材二辊矫直过程及关键技术研究[D].燕山大学，2013.

[3]马自勇，马立峰.棒材高精度二辊矫直质量控制策略研究[J].机械工程学报，2017，03.

[4]庄茁，等.基于ABAQUS的有限元分析和应用[M].北京：清华大学出版社，2009，1.

[5]尹纪龙，李大永，等.动力有限元法辊弯成形全流程仿真技术研究[J].塑性工程学报，2006，13（1）：36-39.

[6]王式研，马立东，陈敏.斜辊钢管矫直过程的数值模拟与接触状态分析[J].科技创新与应用，2016（35）：68-69.

[7]孙维阳，王孝海.辊式型钢矫直机的机械结构分析[J].科技创新与应用，2014（31）：107.endprint