工作辊弹性变形下的铝带冷轧轧制模拟与研究

论文摘要

铝及铝加工业进入了一个崭新高速发展时期,铝的应用越来越广泛,已部分替代传统的钢铁产品而成为工业部门和人民生活各方面的基础材料。在铝加工生产中,以冷轧轧制生产最为重要。板箔材均需经过冷轧加工,冷轧对成品质量影响重大。在铝带冷轧过程中,工作辊会发生弹性变形。本论文首先从卡尔曼（T.Karman）单位压力平衡微分方程出发,建立工作辊弹性变形下轧制力数学模型。然后,运用ANSYS/LS-DYNA对铝带冷轧轧制实行有限元模拟仿真分析。分析在各种工况下金属的流动规律,轧制力的变化情况,以便为铝带冷轧生产提供指导理论。论文首先综述了国内外关于铝带冷轧的现状和发展趋势。随后介绍了弹塑性有限元的基本理论和ANSYS/LS-DYNA的基础知识。在考虑工作辊弹性变形的情况下,成功建立轧制力数学模型。此模型是卡尔曼（T.Karman）单位压力平衡微分方程的进一步创新。它与冷轧常用的M.D.斯通公式不同,M.D.斯通假设冷轧是平板压缩,然而实际轧制并不是绝对的平板轧制。本文轧制的假设比较符合实际工况,此轧制力数学模型对现代冷轧机设计有重要的指导意义。在计算机有限元模拟仿真分析中,选择Al1100H18为轧件,轧机是1900四辊可逆冷轧机。利用ANSYS/LS-DYNA动显模式对轧制过程进行有限元模拟。为了更好的直观性,本文建立全模型。利用数值模拟对轧制过程的模拟是目前轧制领域内实验室研究的重点。数值模拟中的有限元法随着计算机的发展推出的大型计算软件ANSYS/LS-DYNA能够实现求解大型接触问题和多重非线性问题。考虑工作辊的弹性变形及带张力情况下,轧制模型较为复杂划分的单元较多,又存在着材料的非线性。轧制过程中铝带塑性变形复杂。本文根据铝带冷轧的工作原理和机构简图,采用了适当的轧制和界面假设条件,建立了包括工作辊、支撑辊、轧件在内的三维模型,采取适当的加载和约束条件,对铝带的冷轧做了成功的模拟。通过模拟分析,最后得到了铝带冷轧过程中的最大轧制力和宽展与压下量、前后张力、辊身大小等关系。此外还对轧后产生的一些板形特点给出了合理的理论解释。另外还对轧制过程中铝带的应力和应变分布变化情况进行了探讨。通过有限元模拟仿真分析,可以得到一些轧制规律,这些变化规律对铝带冷轧生产具有重要的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 冷轧的特点
• 1.1.1 冷轧的特点
• 1.1.2 铝带冷轧的特点
• 1.2 冷轧轧制力的研究现状
• 1.3 冷轧研究的趋势
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究任务
• 1.4 课题意义及研究内容
• 1.4.1 课题意义
• 1.4.2 研究内容
• 第二章 有限元方法理论及ANSYS/LS-DYNA简介
• 2.1 有限元方法理论
• 2.1.1 有限元方法简介
• 2.1.2 有限元分析的一般过程
• 2.2 弹塑性力学
• 2.2.1 基本假设
• 2.2.2 弹性与塑性
• 2.3 ANSYS/LS-DYNA简介
• 2.3.1 LS-DYNA分析简介
• 2.3.2 LS-DYNA分析基础知识
• 2.3.3 使用ANSYS进行LS-DYNA分析基本过程
• 2.4 本章小结
• 第三章 轧制力数学模型的建立
• 3.1 T.卡尔曼单位压力微分方程
• 3.1.1 轧制压力的概念
• 3.1.2 T.卡尔曼单位压力微分方程
• 3.2 M.D.斯通公式
• 3.3 考虑工作辊弹性变形的轧制力数学模型建立
• 3.3.1 工作辊弹性变形下工作辊与板带变形接触情况
• 3.3.2 A.N.采利柯夫解
• 1区建立轧制力数学模型'>3.3.3 x₁区建立轧制力数学模型
• 2区建立轧制力数学模型'>3.3.4 x₂区建立轧制力数学模型
• 3.3.5 中性位置的确定
• 3.3.6 平均单位轧制力数学模型的建立
• 3.3.7 工作辊弹性变形时平均单位压力的计算与确定
• 3.4 本章小结
• 第四章 铝带冷轧工作模型的建立
• 4.1 有限元分析过程的制定
• 4.2 材料属性的定义
• 4.2.1 Al1100简介
• 4.2.2 轧辊轧件材料塑性定义
• 4.3 几何模型的建立
• 4.4 网格的划分
• 4.5 接触面的定义
• 4.6 施加载荷和初始条件
• 4.6.1 初始条件的确定
• 4.6.2 约束的确定
• 4.7 求解过程的控制
• 4.8 本章小结
• 第五章 模拟结果分析
• 5.1 轧制力的计算分析
• 5.1.1 刚性轧辊与弹性轧辊轧制的轧制力的关系
• 5.1.2 压下量与轧制力的关系
• 5.1.3 辊身尺寸大小与轧制力的关系
• 5.1.4 前后张力与轧制力的关系
• 5.2 宽展及延伸的分析
• 5.2.1 刚性轧辊与弹性轧辊轧制的宽展及延伸关系
• 5.2.2 压下量与宽展及延伸关系
• 5.2.3 宽展与延伸的大小比较关系
• 5.2.4 辊身尺寸与宽展及延伸的关系
• 5.3 轧后铝板变形的分析
• 5.3.1 轧后铝板头部变形分析
• 5.3.2 残余应力极值点的应力分析
• 5.3.3 最大应变点的弹塑性变形分析
• 5.3.4 轧件头部端面的X方向速度分析
• 5.4 应力应变分析
• 5.4.1 轧件上表面应力应变分析
• 5.4.2 轧件上表面X、Y向应力与Z向应力分析
• 5.4.3 轧件宽展与延伸应变分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 6.1 研究内容和研究结果
• 6.2 进一步研究的方向
• 致谢
• 参考文献
• 附录A（攻读硕士学位期间发表学术论文情况）