连轧管机轧制力模拟与计算

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【摘 要】 本文在相同的技术条件下运用有限元模拟和数学公式两种方法对三辊连轧管机组轧制力进行了计算，叙述了两种方法的计算过程，对两种方法的计算结果同实际值进行了比较，并分析了各自优缺点与适用的范围。

【关键词】 三辊连轧管机 有限元模拟 数学公式 轧制力

1 引言

随着连轧管工艺技术的不断进步，尤其在第一套PQF三辊连轧管机组在天津建成以后，我国成为世界上无缝连轧管技术最先进的国家，先后有十余套三辊连轧管机组建成或在建。但这些机组的核心部分连轧管机都是采用进口，这与我国钢管大国的身份不符，为使我国由钢管大国变为钢管强国，我们在消化吸收的基础上自行研发三辊连轧管机组，这里首先运用有限元和数学公式的方法对轧制力进行计算。为设备设计及日后实际生产提供理论依据和技术支持。

2 计算用基本数据

2.1 孔型参数

孔型设计可以说一门专门的学科，需要综合考虑金属流动、变形分配等，这里只列出经过计算后得到的某263系列孔型的部分参数，如表2.1所示。孔型参数示意图如图2.1所示。

2.2 轧制钢种及材料特性

计算选用钢种为20#钢，材料的泊松比是0.3，材料密度为7.83×10-9t/mm3，材料的杨氏模量曲线如图2.2所示。

比热容随温度变化关系如图2.3所示。热膨胀系数随温度变化关系如图2.4所示。热导率随温度变化关系如图2.5所示。

2.3 计算初始条件

3 有限元模拟计算

近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算。无缝钢管生产过程也是如此。通过各种有限元软件对钢管的钻孔、轧制、张减径、定径等生产的各个过程都有研究。

MSC.Marc是国际上通用最先进的非线性有限元分析软件之一，具有极强的结构分析能力，对于钢管轧制这种复杂的大变形多场耦合情况，使用Marc进行模拟是最为合适的。

图3.1为建立的有限元几何模型。

运用有限元模拟软件Marc对前述条件下的毛管轧制过程进行模拟计算，得到各机架处金属等效Mises应力分布如图3.2所示。

图3.3为有限元软件模拟得到的轧制力曲线，实线为平均后的轧制力曲线。

各机架稳定轧制时平均轧制力如表3.1所示。

4 数学公式方法计算

数学公式的方式是运用二辊的计算思路，考虑到三辊与二辊的区别，现对三辊连轧管机的轧制力进行试算。

4.1 所需参数

4.2 建模思路

传统钢管轧制力的计算方法着眼于钢管轧制过程中的变形区投影面积和单位压力，相乘后得到钢管轧制力。由于钢管轧制过程变形十分复杂，因此计算过程非常繁琐，但计算结果并不理想。为了使计算过程简单、灵活，数学模型中把钢管轧制假设为等效钢板的轧制，如图4.1所示。

4.2.1 等效钢板轧辊直径的确定

4.5 数学公式计算结果

对前述的20号钢毛管进行计算得到的结果如表4.2所示。

5 结语

（1）不同方法得到的轧制力如图5.1所示。从图中可以看出，有限元模拟和数学公式计算得到的轧制力值与实际生产测得的轧制力基本相符，总体趋势相同，模拟值大体与实际值相等或偏小，数学公式计算值比实际值偏大。

（2）有限元软件模拟和数学公式计算作为不同的方法，在计算三辊连轧管轧机轧制力各有所长，有限元方法计算精确，能够考虑多场耦合，可以用于验证计算和新品种开发，节省成本提高效率；数学公式法计算速度快，调整灵活，可用于快速计算和生产模型。

（3）两种方法都还存在不足的地方，都是比较理论性的计算，有限元模拟运算时间较长，数学公式计算做了等效简化，计算精度稍差，还需要加人更多的影响因素，并考虑不同工况下的情形，使计算结果与实际更接近，指导设备设计与轧制模型建立。