王式研+陳敏+陳瑩卷

摘 要：利用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)二輥矯直的矯直過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到棒材在矯直過(guò)程的矯直力隨時(shí)間的變化規(guī)律，并對(duì)矯后棒材的塑性應(yīng)變進(jìn)行了分析。數(shù)值分析結(jié)果中矯直力與現(xiàn)場(chǎng)情況基本吻合，文章仿真結(jié)果可以為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：有限元；二輥矯直；塑形應(yīng)變

中圖分類號(hào)：TG333 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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

隨著國(guó)內(nèi)機(jī)械行業(yè)的快速發(fā)展，人們對(duì)棒材的質(zhì)量要求越來(lái)越高，因此，對(duì)于棒材的精整顯得尤為重要[1]。二輥矯直機(jī)與其他矯直機(jī)相比具有矯直精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用[2][3]。棒材彎曲過(guò)程涉及到復(fù)雜的彈塑性大撓度彎曲變形問(wèn)題，有限元方法對(duì)于研究復(fù)雜問(wèn)題非常有效。

本文使用大型非線性有限元軟件ABAQUS對(duì)棒材二輥矯直過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了矯直過(guò)程中的矯直力以及矯直后的應(yīng)力、應(yīng)變和直線度等重要參數(shù)。數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)基本吻合。

1 動(dòng)力顯式有限元基本理論

動(dòng)力顯式有限元基本方程為

Mu+Cu+p=F （1）

式中：M-質(zhì)量矩陣；C-阻尼矩陣；p-內(nèi)力矢量；■、■-節(jié)點(diǎn)速度、加速度矢量。

通常采用中心差分法求解上面方程。tn時(shí)刻的速度、加速度中心差分公式分別為：

（2）

（3）

把式（2）、式（3）代入式（1），就得到求解各離散時(shí)間點(diǎn)的遞推公式：

顯示算法方程非耦合，可以直接求解，所有非線性包含在內(nèi)力矢量中，內(nèi)力計(jì)算是最主要的部分，不需要做收斂檢查，但是要保持穩(wěn)定狀態(tài)需要較小的時(shí)間步，是有條件穩(wěn)定的，即時(shí)間步長(zhǎng)必須小于由該問(wèn)題求解方程性質(zhì)根據(jù)Courant Friedrichs Levy穩(wěn)定準(zhǔn)則所決定的[4][5]。

2 有限元模型建立

2.1 有限元幾何模型

針對(duì)棒材二輥矯直機(jī)矯直過(guò)程，采用國(guó)內(nèi)某鋼廠提供的工藝參數(shù)，利用大型非線性有限元軟件Abaqus建立有限元模型。

在工件建模的過(guò)程中，為了縮短計(jì)算時(shí)間和分析方便，模型中工件長(zhǎng)度只取1m，工件初始撓度8mm/m，直徑40mm。

2.2 材料模型

矯直輥、推板、擋板、入口套筒和出口導(dǎo)槽，變形極小，故設(shè)定為剛體。棒材選擇16MnCr5鋼，密度？籽=7.85×10-9·mm-3，彈性模量E=210000MPa，泊松比？滋=0.3，棒材真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如表1所示。

2.3 邊界條件和網(wǎng)格劃分

模型的邊界條件設(shè)定完全參考現(xiàn)場(chǎng)矯直機(jī)實(shí)際矯直情況，在初始狀態(tài)時(shí)，各矯直輥沿自己的軸線空轉(zhuǎn)，沿軋制方向分速度為25m/min。棒材與各矯直輥的摩擦系數(shù)0.2；設(shè)置棒材與擋板、入口套筒和出口導(dǎo)槽為徑向無(wú)摩擦接觸。棒材單元選擇線性六面體單元C3D8R。

3 結(jié)果分析及討論

3.1 矯直力分析

仿真計(jì)算時(shí)需確保該運(yùn)動(dòng)過(guò)程為理想準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，在整個(gè)二輥矯直過(guò)程中上下輥的支反力隨時(shí)間變化曲線如圖1所示。從圖1中可以看出隨著棒材的逐漸咬入，矯直力逐漸增大，在0.469s處達(dá)到最大值，此時(shí)棒材端部剛剛通過(guò)矯直輥的中間段，說(shuō)明此時(shí)才開(kāi)始對(duì)棒材進(jìn)行彎曲，而此時(shí)由于棒材具有一定初速度的沖擊作用，導(dǎo)致矯直力偏大，隨著進(jìn)入穩(wěn)定矯直階段，矯直力有所降低，并且在穩(wěn)定矯直階段矯直力比較穩(wěn)定。在矯直過(guò)程的末端，隨著棒材尾部逐漸走出輥縫，矯直力也隨之減小，最大矯直力為470kN。

3.2 應(yīng)變分析

二輥矯直過(guò)程中最需要關(guān)注的是棒材的塑性應(yīng)變情況，其關(guān)乎棒材是否能夠矯直，因此對(duì)矯直過(guò)程中不同時(shí)段棒材的等效塑性應(yīng)變分布進(jìn)行分析。從圖2（a）可以看出，棒材剛咬入輥縫時(shí)，發(fā)現(xiàn)只有棒材頭部與矯直輥接觸區(qū)域發(fā)生塑性變形。由于棒材具有初速度，在咬入時(shí)棒材頭部容易發(fā)生應(yīng)力集中。圖2（b）為棒材通過(guò)輥縫中段時(shí)，此時(shí)棒材頭部已經(jīng)發(fā)生較大的變形。

圖2（c）和圖2（d）分別為棒材穩(wěn)定矯直階段、棒材矯直后的等效塑性應(yīng)變分布，從中我們可以看出進(jìn)入穩(wěn)定矯直階段，棒材發(fā)生更大變形，同時(shí)已經(jīng)矯直段的等效塑性應(yīng)變分布均勻；出料后棒材頭部的塑性應(yīng)變較大，尾部的塑性應(yīng)變較小，中間區(qū)域塑性應(yīng)變分布均勻。頭部塑性應(yīng)變較大是由于初速度過(guò)大造成的，而尾部變形小是由于在實(shí)際矯直過(guò)程中由于輥縫參數(shù)設(shè)置大于棒材的直徑，從而造成了棒材的兩端在通過(guò)矯直輥時(shí)未發(fā)生彎曲，該區(qū)域也是二輥矯直的盲區(qū)。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)有限元模型分析了棒材矯直過(guò)程中的矯直力隨時(shí)間變化規(guī)律，得出了棒材咬入時(shí)矯直力最大的結(jié)果，可以為矯直機(jī)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供參考。

（2）分析了矯直過(guò)程及矯直后的等效塑性應(yīng)變情況，得到了棒材的塑形應(yīng)變?cè)茍D。

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