牛金霞，李　戩，孫建林，甄福強

(1.青海大學(xué) 機械工程學(xué)院，青海 西寧 810016； 2. 北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083)

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3104鋁板帶熱連軋過程熱力耦合分析*

牛金霞1，李戩1，孫建林2，甄福強2

(1.青海大學(xué) 機械工程學(xué)院，青海 西寧 810016； 2. 北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083)

摘要:軋制過程是一個非常復(fù)雜的大變形過程，難以用準確的數(shù)學(xué)模型來描述. 有限元法不但能解決復(fù)雜的非線性問題，而且克服了傳統(tǒng)的物理模擬和實驗研究成本高且效率低的缺點. 通過Gleeble-1500熱模擬機進行熱壓縮實驗構(gòu)建3104鋁合金的本構(gòu)方程，并嵌入到鋁板帶熱連軋三維MSC. Marc有限元模型中. 有限元分析熱連軋過程溫度場和軋制力分析結(jié)果表明： 全流程溫度變化主要發(fā)生在第1道次； 模擬溫度與實測溫度接近； 軋制力誤差在5.0%范圍內(nèi). 該模型能夠在實際生產(chǎn)中工藝優(yōu)化起到重要指導(dǎo)作用.

關(guān)鍵詞:3104鋁板帶； 本構(gòu)方程； 熱連軋； 勢力耦合分析

0引言

熱連軋具有生產(chǎn)效率高、 產(chǎn)量大、 成本低、 產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點，已成為鋁板帶的主要生產(chǎn)方式[1]. 在鋁板熱連軋過程中，應(yīng)力應(yīng)變場和溫度場的分布直接影響著軋機負荷地合理分配和最終產(chǎn)品的尺寸精度，因此，建立有限元模型模擬熱連軋過程，并分析軋件塑性變形規(guī)律、 溫度場變化和預(yù)報軋制，可為工藝參數(shù)的制定和優(yōu)化提供理論依據(jù)[2].

近年來，鋁板帶熱連軋數(shù)值模擬越來越受到重視，然而研究主要集中在二維或三維單物理場有限元模擬分析領(lǐng)域，對多道次熱連軋過程三維熱力耦合有限元模擬卻關(guān)注較少[3-6]. 本文基于大型通用有限元分析軟件MARC建立鋁合金三維熱連軋模型，分析軋件溫度分布規(guī)律，并將模擬軋制力與實際生產(chǎn)值進行對比.

1本構(gòu)方程

實驗材料為3104鋁合金，采用Gleeble-1500熱模擬試驗機得到在不同溫度、 不同變形速率條件下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，并對摩擦和溫度進行修正得到更為準確的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，如圖 1 所示[7].

圖 1　不同變形條件下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.1　The true stress-strain curves under different deformation conditions

基于Sellars和Tegart[8]提出的一種包含雙曲正弦形式的Arrhenius關(guān)系來表征材料的熱變形行為，材料常數(shù)求解流程如圖 2 所示.

圖 2　材料常數(shù)求解流程圖Fig.2　The flow chart of material constant’s count

將材料在不同變形條件下的峰值應(yīng)力代入流程圖中，得到3104鋁合金本構(gòu)方程

(1)

式中：σ是流動應(yīng)力；A，α是材料常數(shù)；Z是Zener-Hollomon參數(shù)；T是開爾文溫度；R是氣體常數(shù)(8.314 J/(mol·K)). 本構(gòu)方程的準確性直接影響到數(shù)值模擬的精度，采用統(tǒng)計學(xué)方法，引入相關(guān)系數(shù)R2和平均相對誤差系數(shù)Er對比修正后的應(yīng)力與預(yù)測應(yīng)力，具體公式為[9]

(2)

(3)

2有限元模型及邊界條件

軋制采用4機架熱連軋生產(chǎn)模式，軋件斷面尺寸為1 950 mm×30 mm，目標厚度為2.2 mm，軋輥尺寸為φ750 mm×2 350 mm，考慮到對稱性，對軋件進行1/4簡化. 軋輥設(shè)置為剛性輥，溫度恒定為60 ℃，對軋件采用八節(jié)點六面體網(wǎng)格劃分. 為實現(xiàn)軋件與軋輥的咬入，在軋件尾部加一剛性板面推動工件強迫咬入后撤回[10]. 環(huán)境溫度為20 ℃，工件與軋輥熱傳導(dǎo)換熱系數(shù)為80 kW/(m2·K)，變形過程中塑性功轉(zhuǎn)熱比為0.9，摩擦生熱系數(shù)為1，對稱面與環(huán)境絕熱.

在鋁板帶熱連軋模擬過程中，軋件寬厚比非常大，軋件較長，若一次性模擬所有道次則網(wǎng)格數(shù)量非常多，計算時間長，對微機容量有非常高的要求. 因此，在不影響計算精度的條件下采用分段模擬的方法，將上道次的結(jié)構(gòu)和溫度作為下道次初始模型進行數(shù)值計算，并切去頭尾長度以滿足穩(wěn)定軋制. 由于熱連軋過程中各道次變形量大，各道次壓下率都在50%左右，網(wǎng)格畸變嚴重影響計算精度，故每道次變形之后對軋件網(wǎng)格進行重構(gòu)以提高計算精度，圖 3 為軋板F1機架變形后的網(wǎng)格和重構(gòu)網(wǎng)格.

圖 3　優(yōu)化前后單元網(wǎng)格形態(tài)Fig.3　The mesh before and after optimization

3溫度場分析

利用有限元模型分析3104鋁板帶熱連軋過程的熱力耦合過程. 選取軋板表面和中心節(jié)點，提取結(jié)果數(shù)據(jù)，繪制軋制過程溫度變化曲線如圖 4 所示.

從圖 4(a) 可以看出，在軋制過程中軋板與較低溫度的軋輥接觸，并發(fā)生熱傳導(dǎo)使得軋件表面溫度明顯下降. 另外，軋件產(chǎn)生塑性變形使得心部溫度有所上升，因此呈現(xiàn)表面溫度先下降后上升，而心部溫度先上升后下降的規(guī)律. 由于精軋過程板帶較薄，故軋件溫度逐漸趨于一致.

圖4(b)為表面和心部的溫度變化曲線，軋板溫降主要發(fā)生在第1道次，溫度從380 ℃下降為343 ℃，在第4道次軋制時，軋件的出口溫度大于入口溫度，即對軋件溫度起到升高作用，這是因為軋制速度越來越快，軋件與軋輥接觸時間減少，故塑性變形熱和摩擦產(chǎn)熱的溫升作用大于接觸傳熱和對流輻射的溫降作用. 最終，模擬溫度 330 ℃ 與實測溫度325 ℃相近，表明該模型能很好預(yù)測3104鋁板帶熱連軋過程的溫度變化規(guī)律.

圖 4　軋板表面與中心溫度變化Fig.4　The temperature curves of surface and center points

4軋制力分析

圖 5 為4個道次軋板軋制力的歷史曲線，可見軋件進入穩(wěn)定軋制階段后軋制力穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，且由于絕對壓下量逐漸減小，各機架軋制力呈現(xiàn)遞減規(guī)律.

圖 5　各道次軋制力歷史曲線Fig.5　The rolling force during different rolling process

表 1 為各道次軋制力模擬值與實際值的對比，可以看出兩者吻合較好，誤差在5.0%范圍以內(nèi)，表明模型精度較高，能夠很好預(yù)測3104鋁板帶熱連軋過程的軋制力分布規(guī)律.

表 1　軋制力模擬值與實際值對比

5結(jié)論

1) 通過Gleeble-1500熱模擬實驗得到3104鋁合金在不同變形條件下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，進而獲得有限元模擬所需的材料模型，并驗證其有很好的可靠性；

2) 熱連軋過程中，軋板表面溫度先下降后上升，而心部溫度先上升后下降，最終軋件溫度趨于一致. 并對全流程溫度變化分析，表明溫降主要發(fā)生在第1道次；

3) 模擬溫度與實測值吻合較好，且軋制力模擬值與實際值基本接近，驗證了三維熱力耦合模型的準確性，故能夠很好的分析溫度變化和軋制力分布規(guī)律，并對實際生產(chǎn)和工藝優(yōu)化提供重要參考.

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Coupled Thermo-Mechanical Analysis for Hot Continuous Rolling of 3104 Aluminum Strip

NIU Jin-xia1, LI Jian1, SUN Jian-lin2, ZHEN Fu-qiang2

(1. School of Mechanical Engineering, Qinghai University, Xining 810016, China;2. School of Materials and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Abstract:Because of the complexity during hot continuous rollingprocess,it is difficult to describe with accurate mathematical model. However, Finite Element Method (FEM) can not only solve the complicated nonlinear problem, but also overcome the shortcomings of the high cost and low efficiency by the traditional physics simulation and experimental research. The constitutive equation of 3104 aluminum alloy is developed by hot compressing test on Gleeble-1500 simulator, and embeded in 3D finite element model of aluminum hot continuous rolling strips by software MSC. Marc. Analysis on temperature filed and rolling force during hot rolling process and the result shows that temperature drop is the largest in the first pass, the value of temperature simulated is closed to the measured data, and the difference between simulated and measured rolling forces is less than 5%. The finite element model can provide the important guidance for the optimization of technological parameters.

Key words:3104 aluminum strip; constitutive equation; hot continuous rolling; coupled thermo-mechanical analysis

文章編號:1673-3193(2016)02-0193-05

*收稿日期:2015-10-11

基金項目：青海省科技計劃資助項目(2013-G-Q15A-1)

作者簡介：牛金霞(1978-)，女，副教授，碩士，主要從事金屬材料組織與性能的控制研究.

中圖分類號:TG335.11

文獻標識碼:A

doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.02.018