平整分卷机组中张力装置的非线性有限元建模

　　0　引　言

　　平整分卷机组作为热轧精整工艺中的设备,其主要功能是改善热轧板卷板形,提高热轧带钢机械性能,改善带钢表面质量,分割单重较大的板卷等[1]。

　　现代工艺的设备配置基本上都是在平整机和卷取机之间设置张力装置,针对不同带钢规格,通过控制张力装置产生的张力来进行卷取。但对于张力控制这一关键技术的理论和工艺至今还未完全掌握。在热轧精整工艺中,对张力装置产生张力大小的控制只是按初步的经验数据进行[2]。目前张力控制的研究大多针对纺织机械,而对平整分卷机组中张力装置的研究较少,没有较好的方法来计算、预测平整分卷机组中由张力装置产生的张力[3]。在热轧带钢生产中,张力控制直接影响带钢的质量,精度不准确的张力控制可能会导致带钢卷曲精度低甚至是卷曲缺陷[4]。

　　由于张力装置中张力的产生涉及到诸如弹塑性变形、摩擦等多重非线性问题,无法有效地通过传统的线性方法解决[5]。笔者利用非线性有限元方法,考虑影响张力装置增张能力的多种非线性因素,以MSC.MARC有限元分析软件为平台,建立张力装置非线性有限元模型,解决理论建模技术问题。

　　1　张力装置

　　张力装置是用于平整分卷机组进行分卷或重卷工艺时形成必要的卷曲张力,张力装置的张力辊布置图如图1所示,由一个上张力辊和两个下张力辊组成[6]。带钢经过张力装置时,上张力辊压下一定位移量dh,带钢在3个张力辊的共同作用下产生弯曲,带刚中既有弹性变形层又有塑性变形层。张力由带钢与张力辊之间的摩擦力和带钢的弯曲变形产生。

　　2　M SC.MARC软件及非线性有限元建模

　　带钢经过张力装置增张的过程属于多重非线性问题,非线性问题主要包括3类:材料非线性、几何非线性和边界非线性。本研究采用大型商用有限元分析软件MSC.MARC对张力装置进行有限元建模,建模过程中涉及到弹塑性分析、接触分析、摩擦模拟等理论。

　　2. 1　有限元分析软件M SC.MARC

　　MSC.MARC是由MARC公司推出的一款功能齐全的高级非线性有限元软件,具有极强的结构分析能力,可以处理各种线性和非线性结构分析,包括:线性/非线性静力分析、模态分析、简谐响应分析、频谱分析、随机振动分析、动力响应分析、自动的静/动力接触、屈曲/失稳、失效和破坏分析等。MSC.MARC包括前后处理界面MENTAT和求解器MARC,MENTAT是新一代非线性有限元分析的前后处理图形交互界面,与MARC求解器无缝连接。

　　2. 2　非线性有限元建模的相关理论

　　2. 2. 1　弹塑性分析

　　超出弹性范围的材料行为的塑性理论由3个重要概念组成:屈服准则、流动定律、硬化定律。屈服准则用以确定一个给定的应力状态是在弹性范围还是发生了塑性流动。处于塑性状态的点,其应力分量σij的函数满足屈服准则: