Vol.22 No.2 赵红亮等：反向凝固不锈钢复合带平整轧制有限元解析 ·125 13所采用的求解方法 轧件的网格变形如图3示，由于压下量较 Q235碳钢和1Cr18Ni9奥氏体不锈钢在 小，网格变形不太剧烈.并且由于母带的屈服强 1200℃的屈服强度分别约为75和85MPa.由 度较凝固层的小，可看出母带的伸长量比凝固 于两层金属的屈服强度不同，且在1200℃时数 层的略大.图4为应变场，母带的应变大于凝固 值均较小，实践证明，这给程序的收敛带来很大 层（各点的应变值如图中等值线示），凝固层中 困难.为此采取了极小时间步长和分步加载的 的应变从表面向内部逐渐增大，轧件内存在不 方法，使轧件每一子步移动的位移很小 均匀变形，这是因为母带的屈服强度小，所以轧 整个轧制过程采取分3步加载的方法：第1 制时母带的变形量大：而由于反向凝固后母带 步轧件不动，轧辊先给轧件一微小压下，目的是 与凝固层结合相当完好，已完全成为一体，轧 使轧辊和轧件建立良好接触，以便使第2步在 制时钢带具有变形协调作用，结合面处的凝固 摩擦作用下，轧辊能将轧件带入辊内：第2步让 层会受母带的牵拉作用，所以凝固层从表面向 轧辊旋转一定弧度的同时，压下轧件1.6mm,此 内部应变逐渐增大.另外，图中轧件上端由于刚 步轧辊旋转不能太大，否则不收敛：第3步让轧 进入变形区，应变较小. 辊旋转至轧件完全轧出.这样在摩擦作用下，轧 2.2应力分布 件从轧辊外逐步被带入轧辊，直至轧制结束.分 图5为等效应力场.轧制变形区的应力最 析过程的有限元流程图如图2示.利用ANSYS 大.轧件出轧辊后的应力为残余应力，其大小约 的强大后处理功能，可方便得出任一时刻轧件 为19MPa(端部的残余应力较小，约为7MPa). 内任一节点的应变和应力，进而可求出轧制力. 在出轧辊后的外端和轧制变形区之间的变形过 渡区，其应力值介于变形区应力和残余应力值 开始 之间，在轧制变形区内，由于凝固层屈服强度较 大，凝固层的应力大于母带.凝固层应力为附加 设置参数，划分网格 拉应力，此附加拉应力随变形量的加大而增大， 施加边界约束 当附加拉应力超过界面结合强度时，轧件会出 现裂纹.所以复合材料轧制时，变形量的大小是 设置FKN和FLOT值 有限制的. 进行第1步加载计算 收致香 ,是 进行第2步加载计算 是 进行第3步加载计算 否收敛 是 结束 图2有限元分析流程图 Fig.2 Finite element analysis schemetic 2计算结果及分析 图3轧件的网格变形图 以下任取轧辊旋转0.1rad来说明轧件内的 Fig.3 Deformation of mesh in calculating procoss 物理场分布. 2.3理论计算结果与实验结果的比较 2.1应变分布 将计算出的轧制变形区的应力进行面积分 求得轧制力：、 b l . 2 2 N 0 . 2 赵 红亮 等 : 反 向凝 固 不锈钢 复 合带 平 整轧 制有 限元 解析 1 . 3 所采用 的 求解方法 Q2 3 5 碳 钢 和 I C r l sN i g 奥 氏 体 不 锈 钢 在 1 2 0 0 ℃ 的屈 服强 度 分别约 为 7 5 和 8 5 M p a 「` , . 由 于 两层 金属 的 屈 服 强度 不 同 , 且 在 1 2 0 ℃ 时 数 值均较 小 , 实践证 明 , 这给 程序 的收敛 带 来很大 困难 . 为此采 取 了极 小时 间步 长和 分步 加载 的 方法 , 使轧件每 一子 步 移动 的位 移很小 . 整 个轧制过程 采取分 3 步 加载 的方法 : 第 1 步 轧件 不 动 , 轧辊 先 给轧件一 微 小压下 , 目的是 使 轧辊和 轧件 建立 良好接触 , 以便使 第 2 步在 摩擦 作用下 , 轧辊能将 轧件带入辊 内 ; 第 2 步让 轧辊 旋转一 定 弧度 的 同 时 , 压 下 轧件 1 . 6 m m , 此 步 轧 辊旋转 不 能太 大 , 否 则不 收敛 ; 第 3 步让 轧 辊 旋转至轧件 完全轧 出 . 这样 在摩擦作用下 , 轧 件 从轧辊外逐 步被带入 轧辊 , 直至 轧 制结束 . 分 析过程 的 有限 元流 程 图如 图 2 示 . 利用 A N S Y S 的强 大后 处 理功 能 , 可 方便 得 出任 一 时刻轧件 内任一 节 点的应变和 应 力 , 进 而 可求 出轧 制力 . 开始 设置参数 , 划 分网格 施加边界约束 设 置 F K N 和 F L O T 值 进行第 1 步加载计算 进行第 2 步加载计算 进行第 3 步加载计算 结束 轧件 的网 格变形 如 图 3 示 , 由于 压 下 量较 小 , 网格变 形 不 太剧烈 . 并且 由于 母带 的屈 服强 度较 凝 固层 的 小 , 可看 出 母带 的伸 长量 比凝 固 层 的略 大 . 图 4 为应变场 . 母 带 的应变大 于 凝 固 层 ( 各 点 的 应变 值如 图 中等值线示 ) , 凝 固层 中 的应 变从表 面 向 内部逐渐增 大 , 轧件 内存在不 均匀变形 , 这是因 为母带的 屈 服强 度小 , 所 以轧 制 时母带 的变形 量 大 ; 而 由于 反 向凝 固后母 带 与凝 固层 结合相 当 完好 , 己 完全成 为一 体 「5〕 , 轧 制 时 钢 带 具 有变 形 协调 作用 , 结 合面 处 的凝 固 层 会受母 带的牵 拉作用 , 所 以凝 固层 从 表面 向 内部应 变逐渐增 大 . 另外 , 图中轧件上 端 由于 刚 进 入变形 区 , 应变较 小 . .2 2 应 力分 布 图 5 为等效应力场 . 轧 制变 形区 的应力最 大 . 轧 件出 轧 辊后 的应力为残余应力 , 其大小约 为 l9 M P a( 端 部的 残余应 力较小 , 约 为 7 M P a) . 在 出轧辊后 的外 端和 轧制变形 区 之间 的变形 过 渡区 , 其 应力 值介 于 变形 区 应 力和 残余 应 力值 之间 . 在轧制变形 区 内 , 由于 凝 固层 屈 服强 度较 大 , 凝 固层 的应力大于 母带 . 凝 固层 应 力为附加 拉应力 , 此 附加拉应力 随变形量 的加 大而 增大 . 当 附加 拉应力超 过界 面 结合强 度 时 , 轧件 会 出 现裂纹 . 所 以复合材料轧制 时 , 变形量 的大小是 有 限制 的 . 图 2 有 限元分析流程图 F ig · 2 F i n i t e e l e m e n t a n a ly s i s s e h e m e ti e 2 计算结果及分析 以 下 任取轧辊 旋转 0 . 1 ar d 来 说 明轧件 内的 物理 场分 布 . .2 1 应变分布 1尸I二 勺 恤 场 口 州 .口 r iI ` 场 . … 口 .口 ; 巨 r摹- 1l 二薰. … r , I一 目 、 . . … U t , 口州 场 场. 风 . ’ D 百二1泣 i 二 晌 冲、 “ 【」 … 白 . 匕 ” , 巨 二 白 、 门 口. 二面 巨 1 . . 〕护 . … … 臼 . 勺 图 3 轧件 的网格变形 图 F ig . 3 D e of r m a t i o n o f m e s h i n e a l e u l a ti n g P or e o s s .2 3 理论计算结果与实验结 果 的比较 将计算 出 的轧制变形区 的应力 进行面积 分 求得轧制 力 :