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国内外棒材轧制过程数值模拟发展现状

摘要:随着计算机和数值模拟技术的发展，各种数值分析方法在求解各类轧制问

题中表现出很强的优越性。本文论述了近几年棒线类轧制过程数值模拟方面的研

究进展，比较了相关模拟方法，分析了利用各种模拟技术所取得的研究成果。

关键字：棒材轧制过程有限元模拟

1前言

轧制过程是一个非线性问题，它同时包括了由于位移之间存在的非线性关系

引起的几何非线性，由于应力应变非线性关系引起的材料非线性，以及由于边界

条件或载荷引起的边界条件非线性，对其全过程进行分析是非常困难的[1]。传

统的棒材轧制成形工艺主要由具有丰富经验和知识的专家依据自身的经验和某

些特定经验公式来完成，但在此基础上提出初步设计方案需要通过反复的实验来

修改设计，以使最终的产品符合最初的设计要求。这种方式不仅使生产成本高，

科研周期长,而且生产的棒材往往质量较差。随着轧钢生产和轧制技术的发展，

对轧制理论研究工作也相应提出了更高的要，传统的设计方式已很难满足现代社

会的发展需求。在产品精度要求越来越高，控制参数越来越多，各种高新轧制技

术不断出现的新形势下，传统的工艺方法己经显得力不从心，而以模型化、最优

化和柔性化为特征和主要方法，“试验法”为辅助方法的现代工程科学阶段过渡

[2]。

在这种形势之下，伴随着计算机的广泛应用，数值模拟技术得到了迅速的发

展，使得对轧制过程的模拟成为可能[3-4]。特别是一些商业有限元分析软件，

如DEFORM、MARC等的推出，已经能够在计算机上模拟棒线材的实际生产过程。

借助计算机模拟仿真技术，超前再现线材轧制整个过程，不仅能够研究塑性成型

过程中应力、应变、温度等的分布情况，而且能够揭示轧制过程的本质及各工艺

参数的影响规律，代替和减少试轧过程，大大缩短了开发周期，降低了成本，提

高了轧制的精度和效率。因此，数值模拟技术在求解这类问题中表现出很强的优

越性。

2轧制过程模拟仿真类型及研究进展

按照模拟的内容，热成形计算机模拟主要可分为宏观模拟和微观组织模拟

[5-6]。

2.1宏观模拟

宏观模拟主要是对热成形过程中的塑性变形、应力应变场及温度场的变化情

况等的模拟。在轧制方面，宏观模拟又可分为总体模拟和局部模拟。总体模拟主

要包括对轧制力、力矩、功率和平均温度等宏观力学参数的模拟，可以借助有限

元模拟仿真技术，超前再现轧件在不同变形历史阶段(咬入、稳定轧制和尾部脱

离轧槽等)轧制力、力矩等变化的波形图及工艺因素的影响规律，确定轧制负荷

的峰值以及连轧过程的堆拉关系，为轧制规程建立理论依据。局部模拟主要包括

对材料(主要是变形体)内部的应力、应变、应变速率、温度等的计算。在棒、线、

型材轧制过程中，局部模拟的重点是准确分析轧件的三维变形情况，通过模拟轧

件在孔形中的金属流动和不均匀变形，确定其应力、应变、应变速率和温度等的

分布及工艺因素的影响规律，从而达到预测和控制产品形状和尺寸精度的目的。

在宏观模拟过程中，由于变形体内存在较大的温度梯度,而温度、应变、应

变速率和流动应力相互影响，因而轧制成形是高度非线性的热力耦合问题，为了

提高模拟的精度，考虑到温度对变形的影响，常常需要采用热力耦合的有限元方

法。

在宏观模拟上，各国学者已做了大量的研究工作,目前已进入实用化阶段。

在国外，波兰学者A.A.Milenin,等[7]人对150x100mm的的St3s角钢6道次的轧

制变形过程的有限元模拟，并对模拟结果进行了分析，与实际值吻合较好。并基

于塑性变形位错理论并考虑到轧缝和道次间塑性性能的改变提出了相应的流变

模型，解决了多道次轧制非等温变形的问题。M.Glowacki[8]在论文中讨论了采

用热-力-微观组织模型，考虑轧制过程中塑性变形热和轧后冷却过程中的相变潜

热模拟棒材连轧过程的温度场，并通过与测量值比较，显示了较好的一致性，该

模型对多道次轧制的有限元模拟非常有用。韩国学者J.H.Min等[9]通过有限元

模型对三机架七道次连续轧制过程的变形进行了模拟，变形形状的预测与实际情

况能够较好的吻合，准确模拟轧件的变形的对确定轧制总的道次数目具有很好的

指导意义，模拟结果表明该分析模型可以有效地应用于分析设计多道次轧制过

程。

在国内，康永林、洪慧平等[10]在分析现场工艺设备参数建立相关边界条件

的基础上,对Φ153mm合金钢4道次热连轧过程中轧件变形进行了三维模拟仿真,

计算了轧件的轧制力、轧制力矩的分布以及应力、应变、温度的分布。何小丽、

赵