Vol.22 No.1 李胜祗等：实心坯二辊斜轧过程三维热一力耦合分析 ·53· =0.4,导盘与轧件间摩擦因数f0.3 布，显然在靠近轧件与轧辊接触面处，为横向 (3)传热边界条件，求解这类问题的有关理 压应力，而在圆坯中心区域为横向拉应力，中心 论描述详见文献[4]，求解本问题的边界条件见 处a,最大，这与文献[2]的结果是一致的. 文献[5].轧制时轧件的自由表面存在热传导、对 图3为管坯中心线上的应力分布.节点801 流和热辐射三类热边界条件，对热辐射和对流 在轧件的前端自由表面上.由图看出，圆坯斜轧 换热情况，边界条件可统一表示为： 时，中心的横向拉应力是很大的，并且，在穿孔 q=H(T-T) (1) 准备区内有一个逐渐增大的过程，从801到814 式中：q一热流密度：H一等效导热系数，H=h+h: 节点的σ值也是最大的.沿节点路径803一816， h一对流换热系数，这里取h=0.02kWm2.℃)：h 轴向应力，20，即呈现为拉应力，数值上小于横 一辐射换热系数，由下式计算： 向应力.中心线上除812—814节点以外，其余 h,=Ea(T+T.)(T+T) (2) 各节点上的ā（轧辊作用方向的应力）基本上呈 E一黑度，这里取E-0.6:一波尔兹曼常数：T, 现为压应力.但应注意到，也存在局部拉应力 T。一分别为轧件表面和环境热力学温度. (尽管其数值很小)，这是一个新发现.这种拉应 接触热传导可描述为： 力存在于变形区与外端交界处附近，是由于不 qe=h(T-T) (3) 均匀变形引起的附加应力，完全不同于斯米尔 式中：h一接触导热系数，这里取h= 诺夫理论关于拉应力形成的“积累说”，因其并 20kW(m2.℃)：T,T,一分别为轧件表面和与之接 不是一个逐渐积累和增大的过程，随着变形向 触的变形工具表面热力学温度， 管坯中心的渗透，a很快就变为压应力. 接触面上的摩擦边界条件为： 图3中节点801和802的应力大小还表明， 9FF·△V (4) 靠近轧件前端自由表面，3个应力分量的数值 式中：F一接触面上摩擦力：△V接触面上相对 均有所降低，且轴向应力由拉应力转变为压应 滑动速度 70 模拟中忽略了圆坯端部与环境的传热.对 50 于变形热效应的影响，Wertheimer!认为对大多 数金属而言，变形功的90%转化为热量. 20 2模拟结果的讨论 6 20 在Pentium2O0双CPU微机上进行模拟，以 -40 下就模拟得到的结果进行分析讨论， 800 804 808 812 816 2.1应力和应变分布 节点序号 图2为数值模拟得到的在不同横截面（⑦） 图3沿圆坯中心线上应力分布 Fig.3 Distribution of normal stresses along the center 处，各正应力分量沿直径（与X轴方向一致）的分 line of the round (a)0.554 (b) 0.548 843013/g 第一力分量 841N1013e +第一应力分量 第二位力分量 一第二应力分 一+一第二应力分量 一第三拉力分量 -1.882 12 -1.492 X/mm Y/mm 图2正应力沿圆坯直径（与X轴方向一致）的分布 Fig.2 Distribution of normal stresses along the diameter (in the same direction as the coordinate axis X) (a)Z=-98mm(1-1925,2-741,3-757,4-773,5-789,6805,7821,8-837,9853,10-869,11885,12-1941)片 b)Z=128mm(1-1923,2-739,3-755,4-771,5-787,6-805,7-819,8835,9851,10-867,11-883,12-1939)李胜 抵 等 实心 坯 二 辊 斜 轧 过程三 维热一 力祸合分 析 厂二 ， 导盘 与 轧 件 间摩 擦 因 数儿 ， 传 热 边 界条件 求 解 这类 问题 的有 关 理 论 描述详 见 文 献 〔 ， 求 解 本 问题 的边 界 条 件 见 文献〔 轧制 时轧件 的 自由表面 存在 热传 导 、 对 流 和 热 辐 射 三 类 热 边 界 条件 ， 对 热 辐 射和 对 流 换热 情 况 ， 边 界 条件 可 统 一 表 示 为 一 兀 式 中 一热流 密度 刀‘ 等 效导热 系数 周三 一对 流换 热 系 数 ， 这 里 取 ， · ℃ 一辐 射 换热 系数 ， 由下 式 计 算 石州 兀 产 此 吞一黑 度 ， 这里 取 百 波 尔 兹 曼 常 数 ， 兀一分 别 为 轧 件表 面和 环 境 热 力学 温度 接 触 热 传 导 可 描述 为 叮 。 。 一 不 式 中 一 接 触 导 热 系 数 ， 这 里 取 尸 · ℃ ，不一分 别 为 轧件 表 面 和 与之 接 触 的变 形 工 具表 面 热 力 学温 度 接触 面上 的摩 擦边 界条 件 为 产刀 · △ 式 中 双一接 触 面 上摩擦 力 △不仁 接触 面 上 相 对 滑 动 速度 模拟 中 忽 略 了 圆坯 端 部 与 环 境 的传 热 对 于 变形 热 效应 的影 响 ， 七 加 ’ 认 为对 大 多 数 金 属 而 言 ， 变 形 功 的 转 化 为 热 量 布 ， 显然 在靠近 轧 件 与 轧辊 接触面 处 氏为横 向 压 应力 ， 而 在 圆坯 中心 区 域 为横 向拉应 力 ， 中心 处 氏最 大 ， 这 与文 献 的 结 果 是 一 致 的 图 为管坯 中心 线上 的应 力分 布 、 节 点 在 轧 件 的前端 自由表 面 上 由 图看 出 ， 圆坯斜 轧 时 ， 中心 的横 向拉应 力 是 很 大 的 ， 并 且 味在 穿孔 准 备 区 内有一 个逐渐增 大 的过程 ， 从 到 节 点 的 值 也 是 最 大 的 沿 节 点 路径 一 ， 轴 向应 力氏全 ， 即 呈 现 为拉应 力 ， 数 值上 小于 横 向应 力 中心 线 上 除 一 节 点 以外 ， 其 余 各 节 点 上 的 轧 辊 作用 方 向的应 力 基本 上 呈 现 为压 应 力 但应注 意到 ， 也 存 在局 部 拉 应 力 尽管其 数值很 小 ， 这是 一 个新 发现 这种 拉应 力 存 在 于 变形 区 与外 端 交界 处 附近 ， 是 由于 不 均匀变 形 引起 的 附加 应 力 ， 完全 不 同于 斯 米 尔 诺 夫理 论 关于 拉 应 力 形 成 的 “ 积 累 说 ” ， 因 其 并 不 是 一 个逐渐积 累 和 增 大 的过程 ， 随着变形 向 管坯 中心 的渗透 ， 很 快 就 变 为压 应 力 图 中节 点 和 的应 力大 小还 表 明 ， 靠 近 轧 件前端 自由表 面 ， 个应 力 分量 的数值 均有所 降低 ， 且 轴 向应 力 由拉 应 力 转 变 为压应 模拟 结 果 的 讨 论 在 双 微 机 上 进行 模拟 ， 以 下 就模拟得 到 的结 果 进行 分 析 讨 论 应 力和 应 变 分 布 图 为 数 值 模 拟 得 到 的 在 不 同 横 截 面 闭 处 ， 各 正 应 力 分 量沿直 径 与万轴 方 向一 致 的分 馨 石 一 二一 二一 二一、 一 一 二 一 徽认 户一卜众 、 一 ’ 长 召 丫护 一 丫一 一 图 节 点序 号 沿 圆 坯 中心 线上 应 力 分布 印 芍一 ‘ ’限 片 二 二止吁幼 林 尸 ，又尸 洲么 刀叼 全尸 洲火 。 盯 昭 习 刁 曰叮 一 量 量 … 嚼气 团 备 一 “ ’ ‘ 一 叮 囚 两 曰 曰月 冈 丫 冲 一 习甲 汀州 日 尸 甲 一「犷 洲丹队 叨尸 ，乡 …犷 又 洲卿团 刚 匕 丫 两田 网曰厂 回明 了尸 一 ， 第一应 力乡噜 寸 一 十 卜斗 策 一 应 为 今 用 厂 第三应 力 卜量 四 困厂 一 曰 ￡遥胃仑 愁仑﹄乙胃。 一 一 图 正应 力沿 圆坯直径 与 价油方 向一 致 的分 布 妊 、 七一 一 ， 一 户一 声一 弄一 弄一 ，，一 多一 名 ，，一名 ， 一习 ， 一名 ， 一 一 ， 一 户一 ， 一一 声一 ， 一一 ， 一名 井一 ，，一 ， 仆一 ， 一 ， 一