增刊1 宋仁伯等：Accu-Rol轧管机热轧奥氏体无缝钢管的数值模拟与工艺参数优化 61 因此，不论定义了多少个节点，刚性体仅有六个自由 1斜轧过程有限元实体模型的建立 度，作用在刚性体上的力和力矩由每个时刻的节点 本文模拟的是Accu-Roll轧管机热轧奥氏体不 力和力矩合成，然后计算刚性体的运动，再转换到节 锈钢无缝钢管的轧制过程.Accu-Roll轧管机的孔 点位移 型由2个轧辊，2个导盘和一个芯棒构成.Accu-Roll 轧管被定义为变形体，选用*MAT_PLASTIC._ 轧管机的特点是轧辊形状呈锥形，轧辊轴线与轧制 KINEMATIC材料本构模型，该模型与应变率相关， 线呈空间交叉，既有送进角，又有辗轧角，空间结构 可考虑失效.通过在0（仅随动硬化）和1（仅各向同 比较复杂回，这就决定了该轧机变形区构成的特殊 性硬化)间调整硬化参数来选择各向同性或随动硬 性.图1为Accu-Roll轧管机的空间布置. 化.应变率用Cowper--Symonds模型来考虑，屈服 AN 应力（σ，）可用与应变率有关的因数来表示，公式 如下： a,=[+()门(，+BE,). (1) 式中，o。为初始屈服应力，g为应变率，C为Cowper-一 Symonds应变率参数，s为有效塑性应变，B为硬化 参数，E,为塑性硬化模量，可由下式给出： EnE Eo=E-Eun (2) 式中，E为弹性模量，Em为切线模量. 图1轧管机空间变形区示意图.1一芯棒：2一轧管：3一轧辊 由式(1)和(2)可知，该模型需要输入的参数包 4一导盘 括密度(DENS)、弹性模量(E)、泊松比(NUXY)、初 Fig.I Schematic diagram of deformation space of pipe mill:1- 始屈服应力（σo)、切线模量(Em)、硬化参数(B)、 mandrel:2-pipe:3-roll:4-guide disc 应变率参数(C)以及应变率()等因.在不考虑加 实验中轧管、轧辊、芯棒及导盘单元类型选用的 工硬化和应变率影响的条件下，轧管材料321奥氏 是8节点的S0LID164单元同.相对于分析对象轧 体不锈钢的力能参数分别为：DENS=8× 管的变形，轧辊、导盘及芯棒的变形很小，可将轧辊、 103kgm-3,E=1.2×10"Pa,NUXY=0.3,wo= 导盘、芯棒的可接触表面定义为刚性体.刚性模型 50MPa,Ean=80MPa,o(强度极限)=80MPa. 在显示动力学分析中有着非常重要的意义，用刚性 Accu-Roll二辊斜轧系统的工艺参数来源于某 模型定义有限元模型中刚性部分可大大缩减显示分 公司的生产线，主要参数如下：(1)钢管入口（毛管） 析的计算时间，这是由于定义了一个刚体后，刚体内 中168mm×18mm,出口（荒管）中159mm×12mm; 所有节点的自由度都耦合到刚性体的质量中心上. (2)轧管机的参数选择见表1. 表1轧机的参数选择 Table 1 Parameters of the rolling mill 送进 碾轧 出口速度/ 轧辊转数/ 轧辊 导盘 导盘 导盘转数/ 椭圆度 角/() 角/() (m.s-1) (r'min-) 距离/mm 厚度/mm 距离/mm (rmin-1) 10 12 0.8 117.7 151 150 160 16 1.06 本文主要采用的是扫略的方式可，对建立好的 2有限元模型相关参数的确定 有限元模型进行网格划分，利用LESIZE尺寸控制 命令分别对钢管、轧辊、导盘和芯棒的轴向、周向、径 2.1接触类型的定义 向尺寸进行控制.图2为己划分网格的有限元 本实验采用的是面面自动接触的方式确定实体 模型. 单元接触表面方向，进行接触计算圆.轧管、轧辊、增刊 1 宋仁伯等: Accu--Roll 轧管机热轧奥氏体无缝钢管的数值模拟与工艺参数优化 1 斜轧过程有限元实体模型的建立 本文模拟的是 Accu-Roll 轧管机热轧奥氏体不 锈钢无缝钢管的轧制过程． Accu-Roll 轧管机的孔 型由 2 个轧辊，2 个导盘和一个芯棒构成． Accu-Roll 轧管机的特点是轧辊形状呈锥形，轧辊轴线与轧制 线呈空间交叉，既有送进角，又有辗轧角，空间结构 比较复杂［2］，这就决定了该轧机变形区构成的特殊 性． 图 1 为 Accu-Roll 轧管机的空间布置． 图 1 轧管机空间变形区示意图． 1—芯棒; 2—轧管; 3—轧辊; 4—导盘 Fig． 1 Schematic diagram of deformation space of pipe mill: 1 ! mandrel; 2 !pipe; 3 !roll; 4 !guide disc 实验中轧管、轧辊、芯棒及导盘单元类型选用的 是 8 节点的 SOLID164 单元［3］． 相对于分析对象轧 管的变形，轧辊、导盘及芯棒的变形很小，可将轧辊、 导盘、芯棒的可接触表面定义为刚性体． 刚性模型 在显示动力学分析中有着非常重要的意义，用刚性 模型定义有限元模型中刚性部分可大大缩减显示分 析的计算时间，这是由于定义了一个刚体后，刚体内 所有节点的自由度都耦合到刚性体的质量中心上． 因此，不论定义了多少个节点，刚性体仅有六个自由 度，作用在刚性体上的力和力矩由每个时刻的节点 力和力矩合成，然后计算刚性体的运动，再转换到节 点位移［4］． 轧管被定义为变形体，选用* MAT_PLASTIC_ KINEMATIC 材料本构模型，该模型与应变率相关， 可考虑失效． 通过在 0( 仅随动硬化) 和 1( 仅各向同 性硬化) 间调整硬化参数来选择各向同性或随动硬 化［5］． 应变率用 Cowper--Symonds 模型来考虑，屈服 应力( σy ) 可用与应变率有关的因数来表示，公式 如下: σy = [ ( 1 + ε · ) ] C ( σ0 + βEpεeff p ) ． ( 1) 式中，σ0为初始屈服应力，ε · 为应变率，C 为Cowper-- Symonds 应变率参数，εeff p 为有效塑性应变，β 为硬化 参数，Ep为塑性硬化模量，可由下式给出: Ep = EtanE E － Etan ． ( 2) 式中，E 为弹性模量，Etan为切线模量． 由式( 1) 和( 2) 可知，该模型需要输入的参数包 括密度( DENS) 、弹性模量( E) 、泊松比( NUXY) 、初 始屈服应力( σ0 ) 、切线模量( Etan ) 、硬化参数( β) 、 应变率参数( C) 以及应变率( ε ·) 等［6］． 在不考虑加 工硬化和应变率影响的条件下，轧管材料 321 奥氏 体不锈钢的力能参数分别为: DENS = 8 × 103 kg·m － 3 ，E = 1. 2 × 1011 Pa，NUXY = 0. 3，σ0 = 50 MPa，Etan = 80 MPa，σb ( 强度极限) = 80 MPa． Accu--Roll 二辊斜轧系统的工艺参数来源于某 公司的生产线，主要参数如下: ( 1) 钢管入口( 毛管) 168 mm × 18 mm，出口( 荒管) 159 mm × 12 mm; ( 2) 轧管机的参数选择见表 1． 表 1 轧机的参数选择 Table 1 Parameters of the rolling mill 送进 角/ ( °) 碾轧 角/( °) 出口速度/ ( m·s － 1 ) 轧辊转数/ ( r·min － 1 ) 轧辊 距离/mm 导盘 厚度/mm 导盘 距离/mm 导盘转数/ ( r·min － 1 ) 椭圆度 10 12 0. 8 117. 7 151 150 160 16 1. 06 本文主要采用的是扫略的方式［7］，对建立好的 有限元模型进行网格划分，利用 LESIZE 尺寸控制 命令分别对钢管、轧辊、导盘和芯棒的轴向、周向、径 向尺 寸 进 行 控 制． 图 2 为已划分网格的有限元 模型． 2 有限元模型相关参数的确定 2. 1 接触类型的定义 本实验采用的是面面自动接触的方式确定实体 单元接触表面方向，进行接触计算［8］． 轧管、轧辊、 ·61·