一种板材冷轧过程中可靠性有限元模型的建立方法与流程

本发明属于有限元仿真模型建模技术领域，尤其是涉及一种板材冷轧过程中可靠性有限元模型的建立方法。

背景技术：

冷轧钢板被广泛应用于航空、电力、汽车、建筑、产业设备等各个国民生产的关键领域，属于高附加值的钢铁产品。从轧板产品的发展历史看，冷轧带钢是在热轧带钢的基础上发展起来的，并且有逐渐取代热轧带钢的趋势，这是因为冷轧带钢克服了热轧带钢板厚精度差、表面氧化严重、能源消耗大等诸多缺点，其产品性能好、品种多，用途极为广泛。

近年，随着有限元仿真结果在工业中的应用，有限元仿真结果也在一定程度上对冷轧工艺设计提供了一定的参考，但有限元仿真结果与试验的一致性以及其对试验的指导性还存在很多问题，只能以目前的生产经验为基础结合有限元仿真得到的规律性结果为工艺设计在有限范围内提供一定的参考。

所以，为了利用有限元仿真结果达到减少调试时间、节约生产成本的目的，建立可靠性有限元模拟模型是有限元结果指导生产设计及生产过程分析的前提条件。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种板材冷轧过程中可靠性有限元模型的建立方法，以提高有限元仿真结果的准确性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种板材冷轧过程中可靠性有限元模型的建立方法，包括如下步骤：

1)将被加工板材进行冷轧试验，获得至少两种压下率下的轧制力曲线，并确定稳定轧制阶段的压下率曲线，得到试验平均轧制力曲线，根据测量轧制前后板材厚度计算出压下率r1与r2；

2)利用有限元仿真软件deform3d，建立压下率为r1下的冷轧过程的有限元模型，设被加工板材变形抵抗式为σ＝kεⁿ，作为变形抵抗模型，其中，k为变形抗力，n为加工硬化值，k值、n值采用初始值k0、n0；根据冷轧试验的轧制参数统一有限元轧制参数，运行计算程序；

3)当n＝n0时，k值设定为已k0为基准值上下浮动一定范围，设定k值浮动间隔，运行压下率r1对应的有限元模型，得到不同k值时的行程-载荷曲线；当k＝k0时，n值设定为已n0为基准值上下浮动一定范围，设定n值浮动间隔，运行压下率r1对应的有限元模型，获得不同n值时的行程-载荷曲线；

4)将不同k值下的行程-载荷曲线取稳定轧制阶段并求取轧制力平均值favg，做出平均轧制力favg随k值变化曲线，记为favg-k，将favg-k与favg拟合求出两条曲线交点对应的k1与n1值；

5)将不同n值时的行程-载荷曲线取稳定轧制阶段并求取轧制力平均值favg，做出平均轧制力favg随n值变化曲线，记为将favg-n与favg拟合求出两条曲线交点对应的k2与n2值，将favg-n与favg拟合求出两条曲线交点对应的k2与n2值；

6)将k1与n1值、k2与n2值分别带入变形抵抗式为σ＝kεⁿ，得到σ＝k1εⁿ¹与σ＝k2εⁿ²，将σ＝k1εⁿ¹与σ＝k2εⁿ²作为变形抵抗式代入压下率为r2的有限元模型中，其他条件不变，运行程序；将有限元求得平均轧制力favg-k1、favg-k2与试验平均轧制力曲线favg-r2比较，相似结果即为被加工板材在试验用轧制上冷轧过程的变形抵抗式，所求得结果更接近于真实值，以此变形抵抗式来校正有限元模型。

进一步的，所述k值、n值的初始值可由被加工板材的真应力-真应变曲线拟合所得。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

本发明基于实际的冷轧生产过程，建立板材轧制过程有限元模型并根据实际冷轧过程的轧制力载不同压下率下进行校对，从而建立有针对性的、可以反映实际冷轧过程的有限元仿真模型，达到有限元仿真在板材冷轧过程中的应用的目的。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例冷轧过程有限元模型(1/2模型)；

图2为本发明实施例当n＝0.33时不同k值下的轧制力曲线与试验轧制力曲线(压下率＝55％)。

图3为本发明实施例当n＝0.33时k值-轧制力曲线(压下率＝55％)。

图4为本发明实施例当k＝600时不同n值下的轧制力曲线(压下率＝55％)。

图5为本发明实施例当k＝600时n值-轧制力曲线(压下率＝55％)。

图6为本发明实施例r＝55％时k值-n值-favg曲线图。

图7为本发明实施例变形抵抗σ＝620.5ε^0.33与σ＝600ε^0.17有限元仿真所得轧制力与试验结果比较(压下率＝40％)。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本实施例所用被加工板材为q235，通过单轴拉伸试验获得被加工板材的真应力-应变曲线，并将其拟合得到σ＝480ε^0.33；

通过q235板材冷轧试验获得轧制力曲线，轧制参数为：q235板材宽度为50mm，厚度2.9mm，轧后厚度为1.3mm，压下率为55％，轧制速度为0.05m/s，轧辊直径为110mm。其中，轧制曲线取稳定轧制阶段用于有限元结果对比。

建立可靠性有限元模拟模型，主要包括如下步骤：

(1)如图1所示，利用有限元仿真软件deform3d建立冷轧过程的有限元模型，板材变形抵抗式为σ＝kεⁿ，其中，k为变形抗力，n为加工硬化值，k，n值以拉伸试验拟合结果为参照分别设定为k＝480mpa，n＝0.33，并在材料库中输入弹性模量、泊松比等材料物理特性参数；按照冷轧试验的轧制参数统一有限元轧制参数，包括轧辊尺寸、轧制前被加工板材厚度、压下率r为55％、轧辊轧制速度等尺寸参数，摩擦系数按照金属间干摩擦系数设定为0.08，设定冷轧模型的边界条件并运行计算程序；

(2)当n＝0.33时，k值分别设定为450-750，数值间隔为50，分别运行程序，得到各k值下的轧制力曲线(如图2所示，图中最长的曲线为试验轧制力曲线)，取稳定轧制阶段的平均值favg，做出k值-轧制力曲线(如图3所示)，由图3可知，当n＝0.33时，k＝600时，所得轧制力曲线与试验相吻合；

(3)同样的，当k＝600时，n值分别设定为0.2-0.5，数值间隔为0.05，分别运行程序后，得到不同n值下的轧制力曲线(如图4所示)，取稳定轧制阶段的平均值favg，做出n值-轧制力曲线(如图5所示)，并结合步骤(2)所得k值-轧制力曲线，得到k值-n值-favg曲线图(如图6所示)；

(4)k值-平均轧制力曲线拟合结果为式(2)所示：

k＝0.5972f+4.7615(2)

n值-平均轧制力曲线拟合结果为式(3)所示：

n＝-0.0035f+3.7781(3)

将冷轧试验获得的平均轧制力f＝1031kn分别代入式(2)与(3)所得曲线，并求解得到：k约为620.5，n约为0.17；即当n＝0.33时k约为620.5，当k＝600时n约为0.17，与实验最为接近；最终得到：σ＝620.5ε^0.33，σ＝600ε^0.17；

(5)将步骤(4)所得解作为变形抵抗式代入有限元模型中，将压下率r调整为40％，将通过有限元仿真所得轧制力与同样压下率40％的冷轧试验平均轧制力做对比，(如图7所示)可知当变形抵抗值为σ＝620.5ε^0.33时，有限元所得轧制力与试验吻合程度较高。

本发明方法通过有限元结果与试验结果的多次对比，实现了适用于对比试验用四辊可逆冷轧机有限元模型的建立。

同样的材料在使用不同冷轧机时，均可用此方法进行模型的校正，从而建立具有针对性的可靠性有限元仿真模型。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。