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H型钢翼缘切割过程残余应力场研究 |
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作者：孙会朝 赵燕 陈豪卫 |
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摘要：本文采用热力耦合弹塑性三维有限元方法，在对莱钢H型钢生产线HN800×300规格产品的轧制全过程仿真基础上，采用“单元生死”法，模拟了H型钢翼缘切割过程残余应力场转变，同时，对降低H型钢残余应力的方法做了模拟分析。结果表明：H型钢切割过程中的腹板开裂，与轧后残余应力状态在切割过程中的转变直接相关；通过轧后翼缘外侧强制冷却的方法以及控制终轧断面温度的方法，可以均衡或降低大型H型钢产品内部的残余应力。
关键词：H 型钢 切割 残余应力
引言
H型钢作为一种经济断面型钢，已经被广泛应用，对H型钢研究与应用不断深入，钢中残余应力分布不均问题日益突出[1]。目前国内对H型钢残余应力的研究[2-4]主要是从变形不均匀的角度出发，往往忽视了温度不均匀造成的残余热应力。同时，随着数值计算的不断发展，数值模拟使材料加工过程在虚拟的环境下再现，模拟出H型钢在轧制过程中的应力、应变、金属流动、温度变化以及轧后的残余应力等情况【5】。
在大H型钢使用过程中，由于残余应力的影响，导致施工过程中切割翼缘时产生腹板开裂，严重时产生腹板爆裂现象。通过数值模拟方法，可以获得切割翼缘时H 型钢残余应力场的转变的模拟结果。
本文采用ANSYS分析软件，选取HN800x300规格、Q235B钢种的H型钢为例，在采用分段计算及网格重构方法实现对连轧全过程的仿真和空冷残余应力场计算的基础之上，以空冷后的残余应力场为初始应力状态进行H型钢翼缘切割过程残余应力场转变模拟分析。并对改善残余热应力分布的不同方法，进行了深入的仿真分析及研究，为热轧H型钢残余应力的控制提供理论依据。
1 有限元模型建立
1.1 初始模型
本文选取HN800x300 规格、Q235B 钢种的H 型钢为例，其轧件网格划分如图1 所示。研究对象为轧件轧后空冷至常规状态下残余应力的计算结果，如图2 所示。
针对模型四分之一简化，在对称平面内采用对称约束边界条件。由于H 型钢的散热方式主要为辐射和对流两种情况，对有限元模型除对称面外的其它表面均施加辐射与对流两种边
界条件。
图1 轧件网格划分
图2 初始应力状态（空冷后残余应力场）
1.2 H 型钢切割过程模拟方法
本模拟采用“单元生死”方法计算H 型钢切割过程残余应力场的转变。
在以上模型建立的基础上，进行隐式结构求解，每次“杀死”单元，均需要经过多次迭代后，达到平衡状态，得到稳定收敛结果，然后在该计算结果的基础上，继续杀死单元，得到整个切割过程的结构响应。
根据现场H 型钢切割工艺，采用“单元生死”方法，切掉翼缘长度方向中间一层单元，如图3 所示。
图 3 切割翼缘中间
2 翼缘切割过程残余应力场模拟与分析
2.1 H 型钢中间翼缘切割过程残余应力场转变模拟结果及分析
通过计算得到最终应力场分布结果，见图4。
图 4 切口周围应力状态
可以发现，腹板应力场产生明显变化。腹板应力状态由压应力转变为拉应力状态，以切口为中心影响域较大，见图 中画圆圈的部位。这一点就为切割过程中裂纹的扩展直至整体断裂提供了的一定条件。提取腹板上靠近腿腰连接部位的关键点在翼缘切割过程中应力变化曲线，见图5。
图5 切割过程关键点的应力转变
（注：图中L1、L2、L3 分别为腹板上靠近腿腰连接部位由心部到表面各层单元）
通过图5 可以看出，切割过程中，初期关键点处的应力变化比较平稳，当切口到达腿腰连接部位的时候，关键点处的应力值突然增大。当这个突然变大的力达到一定值时，最终导致H 型钢腹板开裂现象产生出现的可能。切口部位残余应力场的突变也是腹板突然开裂，无预兆的原因。
2.2 H型钢端部翼缘切割过程残余应力场转变模拟结果及分析
H 型钢使用过程中的搭接主要是端部的切割，在此，在残力场计算结果的基础上，采用切割中部翼缘的模拟方法，对H 型钢翼缘端部切割进行仿真分析，仿真结果如图6 所示。
图 6 端部切割应力场转变计算结果
通过图6 可以看出，即使是在轧件端部切割，切口处的两向拉应力也是非常强的。当然，在H 型钢使用过程中的操作不当也是导致腹板开裂的影响因素。如：火焰切割是采用高温燃气将H 型钢局部熔化，最终切断物体的方法。这种方法，切割过程中，金属熔化，熔化部位的强度极低，往往造成裂纹源的产生，也是产生H 型钢腹板开裂的影响因素之一。
3 降低H 型钢残余应力方法的数值模拟
大型H 型钢内部残余应力的存在，往往造成不利的影响，需要对其进行控制。本文从轧后H型钢翼缘外侧强制冷却和终轧H型钢断面温度分布情况两因素对残余应力的影响进行了模拟。
3.1 轧后H型钢翼缘外侧强制冷却
H 型钢的控制冷却主要是轧后针对翼缘的强制冷却。本文假设采用1500W*m-2*K-1 与3000W*m-2*K-1两种冷却强度分别对轧后H 型钢翼缘外侧进行强制冷却8 秒，然后计算空冷至室温。
图 7 H 型钢断面应力分布
图 是H 型钢断面应力按照单元所在位置的分布曲线，可以看出，强制冷却翼缘外侧以后，腹板部位的压应力明显降低，虽然腿腰连接部位的拉应力状态仍旧明显。针对1500W*m-2*K-1与3000W*m-2*K-1两种冷却强度，腹板压应力分别降低：20MPa 与50MPa 左右。
分析以上结果可以得出：H 型钢采用轧后翼缘外侧强制冷却，改变了传统空冷工艺的H 型钢断面残余应力的分布状态；并且通过强制冷却翼缘的方法，可以降低H 型钢的腹板压应力。
3.2 终轧H 型钢断面温度分布情况
轧后空冷过程中H 型钢腹板整体表现为残余压应力、翼缘整体表现为残余拉应力，腿腰连接部位为拉应力较高区域。造成这种残余应力分布状态的原因主要是轧后H 型钢断面温度的分布不均匀。
本文在全轧程计算结果的基础上，采用假设H 型钢断面最低温度不变，降低温度最高值，同时不改变断面温度的整体分布状态的方法，将最高温度分别降低50K 与100K，进行相关计算，以研究终轧断面温度分布对残余应力的影响。
经过10000 秒后的空冷过程，取1/2 轧件长度处断面单元轧向应力按照其所处位置画分布曲线，见图 。
图 8 H 型钢断面应力分布
可以看出，H 型钢断面的应力幅值明显发生变化，不单纯是腹板部位的残余压应力明显减小，同时腿腰连接部位的拉应力也明显减小，其中腹板部位残余应力减小幅值分别为：50MPa和110MPa 左右。
4 小结
通过采用热力耦合有限元的计算方法，在H 型钢全轧程热力耦合数值模拟的计算结果基础之上，针对大型H 型钢翼缘切割过程残余应力场转变以及轧后残余应力影响因素做了模拟分析，并得到如下结论：
(1)通过对切割过程的数值模拟，可以得到：当切口到达腿腰连接部位时，H 型钢腹板残余应力场发生明显变化，靠近切口的腹板部位拉应力突然增大，且切口周围拉应力状态影响区域较大，可以断定，H 型钢切割过程中的腹板开裂，与轧后残余应力状态在切割过程中的转变直接相关；
(2)通过数值模拟的手段和方法可以对残余应力的控制提出工艺思路和方法，从而指导生产实际。
(3)通过对轧后H 型钢翼缘外侧的强制冷却，可以改变H 型钢长度方向上的残余应力在H型钢断面的分布状态，同时可以降低因轧后断面温差导致的H 型钢腹板残余压应力；
(4)通过改善H 型钢轧后断面温度分布，H 型钢轧后残余应力得到改善，其中残余拉压两个状态的应力值均可以降低。
参 考 文 献
[1] 朱国明，康永林，陈伟等.H 型钢空冷过程中残余热应力的有限元分析[J].机械工程材料，2008,32（4）：77-80.
[2] 杨娜，龙丽华，杨庆山．残余应力对H型钢楔形梁相关屈曲的影响[J]．特种结构，2006，23(1)：13—16．
[3] 龙丽华，蒋健，熊珍．残余应力对等截面H型钢梁相关屈曲的影响分析[J]．钢结构，2006(1)：49—53．
[4] 赵峰，刘华琛．冷弯薄壁型钢构件残余应力的模拟及其影响下的计算方法[J]．工程建设与设计，2004(8)：35—37．
[5] 康永林，朱国明.大型H 型钢轧制过程数值模拟及应用[J].山东冶金，2009,31（5）：1-4.
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(10/24/2011) |
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