精密成形工程
１０２Ｊ ＯＵＲＮＡＬＯＦＮＥＴＳＨＡＰＥＦＯＲＭＩＮＧＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ 第３卷 第６期
０１１年１１月 ２
小型Ｈ型钢斜轧孔型工艺的全轧程有限元模拟分析
郭星晔１，朱国明１，吕超１，张思勋２，王中学２，刘福宁２，康永林１
（）北京科技大学材料科学与工程学院，北京１１．０００８３；２．莱芜钢铁集团有限公司，山东莱芜２７１１０４
，摘要：采用显示动力学有限元模拟软件Ｌ对某钢厂的小型Ｈ型钢的完全轧制过程进行模拟仿Ｓｎａ－Ｄｙ真分析。重点分析了有限元模型建立过程中单元的选择、网格的划分、材料模型的构建和前处理边界条件的设定；通过数值模拟分析得到了该型号Ｈ型钢的全轧程各道次的应力应变状态，并分析了金属的流动和轧为小型Ｈ型钢的轧制工艺的制定和孔型设计提供了参考。制过程中金属的充型状态，
关键词：小型Ｈ型钢；斜轧孔型；有限元法；数值模拟中图分类号：ＴＧ３３５．４ 文献标识码：Ａ（）文章编号：１６７４６４５７２０１１０６０１０２０５－－－ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＩｎｃｌｉｎｅＲｏｌｌｉｎＧｒｏｏｖｅｆｏｒＳｍａｌｌＨｂｅａｍｉｎＦｕｌｌＲｏｌｌｉｎＰｒｏｃｅｓｓ － ｇｇ
１１１２
，，，ｅＧＵＯ ＸｉｎＺＨＵ Ｇｕｏ－ｍｉｎＬＶ ＣｈａｏＺＨＡＮＧ Ｓｉｘｕｎ－ｙｇ－ｇ，
２２１，ＷＡＮＧ ＺｈｏｎｘｕｅＬＩＵ Ｆｕ－ｎｉｎＫＡＮＧ Ｙｏｎｌｉｎｇ－ｇ，ｇ－（，Ｕ，；１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｉｎｅｅｒｉｎｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏＢｅｉｉｎＢｅｉｉｎ１０００８３，Ｃｈｉｎａ ｇｇｙｇｙｊｇｊｇ
，，）２．ＬａｉｗｕＩｒｏｎ＆ＳｔｅｅｌＣｏ．Ｌｔｄ．Ｌａｉｗｕ２７４４０４，Ｃｈｉｎａ
：，ＡｂｓｔｒａｃｔＢａｓｅｄｏｎｄｎａｍｉｃｅｘｌｉｃｉｔｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄａｎｄｗｉｔｈｓｏｆｔｗａｒｅＬＳｎａｔｈｅｆｕｌｌｒｏｌｌｉｎｒｏｃｅｓｓｏｆｓｍａｌｌｓｉｚｅ －Ｄ ｙｐｙｇｐ ，，ｍｂｅａｍ ｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄ．ＴｈｅｃｈｏｏｓｉｎｏｆｅｌｅｍｅｎｔｓｔｅｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔｎｅｔｓａｔｅｒｉａｌｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｅｂｏｕｎｄａｒＨ－ ｇｙｐｙ ，ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅｓｔｒｅｓｓａｎｄｓｔｒａｉｎｓｔａｔｕｓｗａｓｄｅｒｉｖｅｄｆｒｏｍｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｔａｔｕｓｏｆｔｈｅ ａｎｄｔｈｅｍｅｔａｌｆｉｌｌｉｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｗｅｒｅａｎａｌｚｅｄ．Ｔｈｉｓｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏａｎｄｔｈｅｒｏｌｌｅｒｉｒｏｎａｅｒｒｏｖｉｄｅｓｌａｎｎｉｎａｓｓ ｇｙｇｙｐｐｐｐｇｐ ｄｅｓｉｎｉｎｏｆＨ－ｂｅａｍｒｏｌｌｉｎ． ｇｇｇ
：；；ｒｏｏｖｅＫｅｗｏｒｄｓｓｍａｌｌｓｉｚｅＨ－ｂｅａｍ；ｉｎｃｌｉｎｅｒｏｌｌｉｎｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｇｇｙ
其质量轻，节省 Ｈ型钢具有优良的力学性能，
便于施工，抗弯抗震性好，近年来广泛用于建材料，
筑结构和金属框架结构中，并且需求量在逐年增大。由于Ｈ型钢断面形态复杂，轧制过程中金属流动状态难以预测，轧件位移与其本身的应变存在几何非线性关系，轧辊与轧件的接触状态、应力场不断发生改变，各道次轧制力环境等影响参数繁多，因此孔型设计和工艺优化困难。借助于计算机的强大运算能力，可以运用有限元法求解轧件的应力应变状态的
收稿日期：２０１１１０１０－－的数值解，通过对轧件做合理的单元离散化和边界条件设置可以得到近似度很高的模拟结果。
对Ｈ型钢的模拟仿真研究早在２０世纪末就已经展开，木内学在分析钢塑性有限元法的基础上结合切片法提出复合元法（ＣＥＭ ＣｏｍｌｅｘＥｌｅｍｅｎｔ ｐ），并用ＣＭｅｔｈｏｄＥＭ法模拟了Ｈ型钢的万能轧制
１］
；过程，但其解析精度不高［近年来国内对Ｈ型钢
康永林、朱国明等采用三维的研究越来越深入全面，
热力耦合弹塑性有限元法，对大型Ｈ型钢多道次可
，作者简介：郭星晔（男，山西太原人，硕士研究生，主要研究方向为材料加工过程中的仿真分析及应用。１９８４－）
第３卷 第６期 郭星晔等：小型Ｈ型钢斜轧孔型工艺的全轧程有限元模拟分析
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逆轧制进行了深入的分析，并进一步在全轧程基础上对Ｈ型钢冷却后残余应力场进行了分析，得到了
］２－５
。徐旭通过翼缘外侧强冷改善残余应力的方法［
次不经过网格重构影响计算精度。由此笔者将整个开坯过程按照轧制道次分为８个模拟单元，分别建立模型。采用８节点六面体单元，不考虑弹性应变，将轧辊设置为刚性辊，建立厚度为５ｍｍ的轧辊模孔型的网格划分如图２所示。型，
东等利用显式动力学有限元技术模拟了Ｈ型钢的提出并分析了对轧制力有较显著影热轧变形过程，
６］
。响的参数［
文中针对某种规格的小型Ｈ型钢，应用Ａｎ－／Ｌ采用显式动力学弹塑性有限元ｓｓＳｎａ软件，－Ｄｙｙ
模拟仿真的方法，进行了全轧程模拟。目前针对Ｈ型钢的模拟主要以大、中型Ｈ型钢为主，很少有涉中型Ｈ型钢工艺及小型型钢。小型Ｈ型钢与大、
小型Ｈ型钢的开坯（采用斜轧孔型。斜不同，ＢＤ）轧孔型可以节约轧辊的制造成本，并且大大减少轧辊重车次数，利于轧件咬入。斜轧孔型由于具有非因此其不能采取对称简化的方式建模。斜对称性，
轧制过程属于三维复杂轧过程中坯料变形不均匀，
变形，金属流动复杂多变，轧制工艺参数的微小变化会对最终产品质量产生很大的影响。
图２ 开坯孔型Ｋ１道次的网格划分
Ｆｉ．２ Ｅｌｅｍｅｎｔｓｄｉｖｉｓｉｏｎｏｆｆｉｒｓｔｃｏｉｎｄｏｗｎａｓｓ － ｇｇｇｇｐ
由于开坯轧制坯料压下率较大，轧制道次多，中影间道次原始网格反复使用会产生网格严重畸变，因此需要在适时的对网格进行重构。响求解精度，
这里在第４和第７道次分别对网格进行重构，提取前一道次轧件在稳定轧制阶段的断面节点坐标，用
２］
。网格重构前新的网格坐标替换原畸变网格坐标［
１ 有限元模型的建立
１．１ 斜轧开坯孔型建模
６５ｍｍ×２００ 小型Ｈ型钢的坯料采用截面为１
开坯过程先后经过８道次往复可ｍｍ的矩形坯料，
，逆轧制，轧成“近Ｈ型”开坯孔型如图１所示。
后模型对比如图３所示。
图３ 开坯轧制第４道次轧件网格重构Ｆｉ．３ Ｅｌｅｍｅｎｔｓｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｏｒｔｈｃｏ －ｇｇ
图１ 开坯孔型曲线简图
ａｓｓＦｉ．１ Ｃｏｎｔｏｕｒｏｆｔｈｅｃｏｉｎｄｏｗｎ － ｐｇｇｇｇ
ｉｎａｓｓｄｏｗｎ－ ｇｇｐ
轧件的材料采用典型的Ｑ用双线性各２３５钢，
斜轧孔型不能用对称简化的方式来建立孔型模型，因此计算中轧辊孔型采用完全模型。由于开坯过程为单台轧机可逆轧制，因此很难用连轧方式模拟轧制过程；若想一次完成所有开坯轧制的模拟，必计算机做无意然会在道次之间轧件的位移过程中，
，义的“空跑”增加大量时间，效率不高；此外中间道
向同性塑性材料模型来构建。材料的具体参数见表１。
计算过程中轧辊与轧件的接触方式采用面对面摩擦模型采用库仑摩擦方式，动摩擦系数设定接触，
为０．静摩擦系数设定为０．３０，３５。轧辊的线速度设／，为２．给出工件进入轧辊之前的初始速度为５７ｍｓ
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表１ 轧件材料的基本参数
精密成形工程 ０１１年１１月 ２
格畸变较小，因此可以按照５机架连轧的方式来建立轧制模型，进行一次性模拟计算来求解连轧的相关规律，如图５，６所示。
切线模量／ＧＰａ２００
Ｔａｂｌｅ１ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｒｏｌｌｉｎｗｏｒｋｉｅｃｅｓ ｇｐ 密度／（·ｍ－３）ｋｇ
７８３０
弹性模量／ＧＰａ１５０
泊松比０．３
屈服应力／ＭＰａ８０
／。进入轧辊后，轧件依靠摩擦力通过轧辊。２ｍｓ开坯第１道次的轧制完全模型如图４所示。
图４ 开坯第１道次轧制模型网格
ａｓｓＦｉ．４ Ｅｌｅｍｅｎｔｓｄｉｖｉｓｉｏｎｏｆｆｉｒｓｔｃｏｉｎｄｏｗｎ － ｐｇｇｇｇ
开坯其他各道次建模方式均与以上相同，开坯轧制过程各道次的轧制模型的一些参数情况详见表２。
表２ 小型Ｈ型钢开坯孔型模型信息
Ｔａｂｌｅ２ Ｍｏｄｅｌｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｃｏｉｎｄｏｗｎｒｏｌｌｉｎｏｆｓｍａｌｌ － ｇｇｇｇ
ｓｉｚｅＨｂｅａｍ －道
斜轧
轧辊单元数量
轧辊节点数量
轧件单元数量
轧件节点数量
辊缝值
万能轧辊模型亦采用８节点六面体单元来离散，抽取厚度为５ｍｍ的薄壳，为保证圆角过渡光圆角处网格需要单独细分。材料定义选择刚性顺，
材料。单元节点信息见表３。
表３ 小型Ｈ型钢万能精轧各道次模型信息
Ｔａｂｌｅ３ Ｍｏｄｅｌｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｕｎｉｖｅｒｓａｌｍｉｌｌｏｆｓｍａｌｌｓｉｚｅ
ｂｅａｍＨ－道次数Ｕ１Ｅ１Ｕ２Ｅ２Ｕ３
轧辊单元数２９１６０ ２１１６８ ３０６００ ２０４９６ ３８１６０
轧辊节点数７１２５９ ４３００８ ６２６４０ ４１６６４ ７７０４０
０００６６５８７６ ８ 轧件单元数
轧件节点数
水平辊辊缝７．５８６．９７．５６．５
次数角度Ｋ１Ｋ２Ｋ３Ｋ４Ｋ５Ｋ６Ｋ７Ｋ８
２２０９６０２６４０３１６００３９９８６０ ３ ６ １ １ １２０５２８０１２８０３１６００３９９８６０ ３ ７ １ １ １１８８１６０７０４０３１６００３９９８６０ ３ ７ １ １ １１８９２４０９２０００４４００１４６３５０ ３ ７ １ １ １１３８１６０７０４００４４００１４６３５０ ３ ７ １ １ １１０４８８００４０００４４００１４６３５ ３ ７ １ １ ６５ ０
３１６８０４０００６８００７５６７ ６ ７ ８ ６３８１６０７０４０６８００７５６７ ７ ７ ８ ６
１．２ 万能精轧孔型建模
开坯过程中轧件网格畸变严重，因此在进行万需对轧件再次进行一次网格能精轧模拟计算之前，
重构。为了保证精度，沿用开坯轧制时的完全轧件，因此万能轧也采用完全孔型建立仿真模型。万能连轧机组由２道次“加２道次轧边孔型，以及Ｘ孔型”最终成形孔型—“构成，轧制顺序是ＵＨ孔型”１－网Ｅ１－Ｕ２－Ｅ２－Ｕ３。由于精轧过程中压下量不大，
２ 模拟结果分析
２．１ 开坯轧制金属流动状况与应变状况
金属一般都无法充满。如图 开坯轧制过程中，
第３卷 第６期 郭星晔等：小型Ｈ型钢斜轧孔型工艺的全轧程有限元模拟分析
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在翼缘的７所示为开坯轧制各个道次的充满状态，
轧制力一定的情况下更易于压缩金属，因此开口端翼缘比闭口端翼缘应变量大，使开口翼缘较闭口翼缘高。
提取的开坯轧制稳定轧制阶段断面位移矢量分如图９所示。在轧制过程中，最初２个道次腹板布，
图７ 开坯孔型各道次充型状态
ａｓｓｅｓＦｉ．７ Ｔｈｅｆｉｌｌｉｎｓｔａｔｕｓｏｆａｌｌｔｈｅｃｏｉｎｄｏｗｎ － ｐｇｇｇｇｇ
闭口端都存在空隙，开口端充型状态较好。分析轧制变形前后各阶段的接触状态发现，轧辊首先与腹轧件脱出前最后离开的部板翼缘的连接部位接触，
位是开口端翼缘与腹板的连接部。
开坯轧制过程中的应变云图如图８所示。在型
处金属位移较大，金属流动以从中间向翼缘流动为从第３道次之后腹板处虽然仍有较大的位移量，主，
但是闭口端金属向中心流动更为显著。所有开坯轧而制道次闭口端的金属位移矢量都指向腹板方向，其中外侧金开口翼缘的金属流动情况则比较复杂，
属向翼缘端部流动，但位移量较小；内侧金属向腹板方向流动，位移量较大。翼缘外侧金属外延，内侧金属内翻。
图９ 第３道次稳定轧制阶段金属断面位移矢量Ｆｉ．９ Ｖｅｃｔｏｒｏｆｘｄｉｓｌａｃｅｍｅｎｔｉｎｔｈｅｔｈｉｒｄｃｏ － －ｇｙｐｇ
ｄｏｗｎｉｎａｓｓ－ ｇｇｐ
２．２ 万能精轧过程模拟结果
提取万能轧制第一道次截面的应变云图如图可以看出，万能轧制的变形量不大，并且主１０所示，
图１０ 万能轧制第１道次稳定轧制过程中的断面应变Ｆｉ．１０ Ｓｔｒａｉｎｏｆｔｈｅｓｔａｂｌｅｒｏｌｌｉｎｓｔａｔｕｓｉｎｔｈｅｆｉｒｓｔ ｇｇ
ａｓｓｏｆｕｎｉｖｅｒｓａｌｍｉｌｌ ｐ
钢开坯过程中，翼缘与腹板连接处应变量最大，腹板部位应变量比翼缘处大，金属有向外侧翼缘流动的趋势。此外由于斜轧孔型翼缘开口处形成楔形，在
要应变集中于腹板和翼缘连接处的内外表面。另外轧件在精轧时翼缘与腹板已经很薄，翼缘两侧金属
１０６
精密成形工程 ０１１年１１月 ２
流动矢量方向趋于一致。可见万能轧制主要起到平整腿端和最终轧成“型的作用。轧边机主要变形Ｈ”区在翼缘端部，其他部位没有变形，并且轧辊中心与留有一定间隙。腹板不接触，
万能轧机轧制过程中水平辊轧制力大于立辊轧制力，其中水平辊轧制力以径向压下方向分力为主。万能轧制过程中最后一道次的水平辊和立辊的轧制力曲线如图１可以读出最后一道次的水平辊１所示，。轧制力约为１１０ｔ
情况可以很直观地表示。得到开坯轧制时轧件翼缘部位金属流动有外侧外延，内侧内翻的趋势；斜轧孔型翼缘开口端所特有的楔形槽更易于金属流动，会可以直观使轧件应变量增大。通过轧制力曲线图，为孔型设地得到稳定轧制时期的轧制力波动情况，计和工艺制定提供了可以借鉴的数据。
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图１１ 万能轧制第３道次水平辊和立辊的轧制力曲线Ｆｉ．１１ ＲｏｌｌｉｎＦｏｒｃｅｏｆｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌａｎｄｖｅｒｔｉｃａｌ ｇｇ
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３ 结语
本模拟算例按显示动力学有限元法利用Ａｎ－／Ｌｓｓｓｎａ对小型Ｈ型钢全轧程各道次的轧制－Ｄｙｙ
过程进行了模拟分析，能较好地反映轧制过程中金属流动的变化规律，对轧制过程中应变和应力分布
檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿中国用激光焊接和立体拼接技术造出“不锈钢列车”
用不锈钢制造列车车体，耐高温、强度大，但对焊接等工艺要求极高，很多企业望而却步。２中国南车株０１１年９月９日，。洲电力机车有限公司宣布，他们开创性地采用激光焊接、立体连接等前沿技术，制造出了高强度的“不锈钢列车”
，“车体是列车的“骨架”车体强度、刚度与列车安全可靠性密切相关。据“南车株机”技术专家介绍，南车株机”科研人员和一线技术工人合力攻关，首次采用先进的电阻点焊立体接头和激光焊接技术，生产出了高强度不锈钢地铁列车。
据介绍，他们采用先进的激光焊接技术，用３将５００００多个精密焊点，０００多块不锈钢板材一次成型地制成一节地铁列车 车厢。与传统“平面拼接”不同，独创的新型立体接头技术使列车“骨骼”严丝密缝，能更加均匀地分布承载力，增加车体强度和刚度。
“权威技术测试表明，南车株机”制造的不锈钢地铁列车车厢样车不仅外形美观，能承受的压缩力、拉伸力等强度指标还居于行业先进水平。模拟测试还显示，样车车体在３且能适应潮湿、高盐等特殊自然环境。０年寿命周期内不会出现氧化生锈，
（摘自中华机械网）
