基于MSC的板材冷轧残余应力分布的数值仿真.pdf

第5 7 卷第1 期 20 05 年2 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 7 ．N o ．1 F e b r u a r y 2005 基于M S C 的板材冷轧残余应力分布的数值仿真 赵丽丽，张以都 北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要利用M S C 软件建立了轧制过程的力学模型，采用弹塑性大变形有限元法，对典型铝板材冷轧后的残余应力分布进 行数值仿真。仿真结果表明，在压缩量较小时，板材表面是残余压应力，心部是残余拉应力，在压缩量较大时，表面为残余拉应力， 内层则呈残余压应力，且分布不均匀，压缩量过大引起的残余应力的分布不利于板材的抗疲劳能力。 关键词材料科学基础；残余应力；数值仿真；M S C ；板材；塑性变形；冷轧 中图分类号T G l l 5 ．5 ；T G l 4 6 ．2 1 ；T P 3 9 1 ．7 7 文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 5 0 1 0 0 2 7 0 3 众所周知，为了减轻质量、改进性能、缩短制造 周期和提高可靠性，现代军用飞机越来越多地采用 整体加工的复杂零件来代替装配式组合件。军用飞 机的整体壁板、机身隔框、机翼肋板、机翼梁等是当 前整体加工的典型零件。这些零件一般采用轧制、 锻造的整体毛坯来制造。这些大型的板材在加工和 运输过程中都会产生较大的变形，加工过程中产生 变形的原因有很多，如加工受力变形、残余应力变 形、切削热变形、装卡变形等，其中残余应力变形是 一个重要方面。目前我国几家主要的飞机制造企业 在生产过程中都遇到了无法准确控制因残余应力而 引起的板材加工后的变形问题，因此，准确模拟出轧 制后残余应力的分布并消除残余应力已经成为急需 解决的关键问题。 M S C ．P a t r a n 和M S C ．N a s t r a n 是较好的集有限 元建模、分析求解及数据可视化于一体的框架式软 件系统，通过其“并行工程概念”和工程应用模块，将 C A D ／C A E ／C A M ／C A T 测试 软件系统及用户自编 程序自然地融为一体，可以方便快捷地为设计和处 理实际工程问题提供可靠的依据和解决办法，是分 析板材冷轧后残余应力分布的有效工具。 1金属冷轧后的残余应力 目前关于探讨金属冷轧后残余应力分布的研究 手段和成果较为缺乏，一般主要是通过实验方法例 如盲孔法、X 一射线法等来获得试验数据。 金属冷轧后的残余应力是由于表层和心部材料 收稿日期2 0 0 3 1 1 0 7 基金项目国家自然科学基金项目 4 1 8 0 1 0 6 0 1 6 作者简介赵丽丽 1 9 7 7 一 ，女，山东威海市人，博士生，主要从事 大型结构件基于切削过程的变形、虚拟设计及虚拟制造 方面的研究。 的塑性变形程度不一致而造成的【3J 。金属轧制时 形成的残余应力分布，与轧制过程最后一次的压缩 量有关。如果最后一次压缩量较小，则仅是靠近表 面的金属材料产生塑性延伸，而内层材料没有延伸， 或者延伸量很小。但是轧制后的板材表层和内层仍 为一整体的，因而轧制时塑性延伸不等的表层和内 层之间必存在应变调节，即内层材料阻止表层伸长， 而表层材料同时拉伸内层，从而使内层呈残余拉应 力而表层呈残余压应力HJ ，见图1 a 。 当板材冷轧过程中的最后一道压缩量很大时， 则塑性变形区将直接穿透板材内层。这时表层和内 层材料都有塑性延伸，而表层却由于它与轧辊之间 的接触阻力而延伸量较小，相反，内层材料则塑性延 伸量较大。这样，在表层和内层的应变调节中，将是 表层材料阻止内层材料塑性延伸而呈残余拉应力， 内层则呈残余压应力，如图1 b 所示。 一K - - 哼 ●r I F ● ‘L a 一压缩量较小； b 一压缩量较大 图1板材冷轧后残余应力分布 F i g ．1 R e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o no fc o l dr o l l i n gb o a r d 由此可知，不均匀塑性变形引起的残余应力与 应变的正、负号恰恰相反，即相对伸长的部位将呈现 压应力，未伸长或相对收缩的部位则呈现拉应力。 显然，由于冷轧时的压缩量过大而出现的后一种残 余应力分布，将不利于板材的抗疲劳能力。在板材 冷轧残余应力的数值仿真中采用不同的压缩量进行 万方数据 有色金属第5 7 卷 模拟。 此外，金属冷轧情况与拉拔、挤压相比，有很大 的区别，关键在于其作业环境是动态的。金属冷轧 后残余应力的分布与压下率以及其他冷轧条件有很 大的关系。图2 是金属最大拉伸残余应力与轧制条 件的关系。 图2 最大拉伸残余应力与轧制 条件 t ／ 2 的关系 F i g ．2 R e l a t i o nb e t w e e nm a x i m u ms t r e t c h i n gr e s i d u a l s t r e s sa n dr o l l i n gc o n d i t i o n s 2 数值仿真模型的建立 2 ．1 假定条件 为了便于进行力学分析，根据铝板材冷轧的具 体情况，做下面几项基本假设。 1 所研究对象的材料为各向同性的连续固体 介质，具有等向硬化的弹塑性，并且材料的机械物理 特性 如屈服应力，弹性模量等 不随温度变化。 2 应力及应变对称于板厚中心轴，在板厚方向 是均匀的。 3 在轻度冷轧、轧制速度不很高的情况下，温 度变化导致工件材料的化学变化对残余应力的影响 很弱。 4 金属在冷轧前呈不存在残余应力的理想状 态。图3 是假定状态下冷轧前后的变形状况。 5 轧辊看作是刚性体。 2 ．2 模型的计算单元 根据轧制理论和假设条件，分析的模型和所施 加的力和位移都是关于板子厚度方向对称的，应力 应变对于板厚中心轴也是对称的，且在厚度方向是 均匀的，因只取厚度方向的上半部分模型划分有限 元网格和施加载荷，分析残余应力分布情况，以减少 工作量。 此外由于表面金属与轧制辊直接接触，变形较 大，而厚度方向的中间部分变形较小，因此将与轧辊 轧制前 a 、b 增大，h 减小 图3 板材冷轧前后的理想模型 F i g ．3 I d e a lm o d e lo fp r e - a n dp o s t c o l dr o l l i n g 接触的表面附近的单元网格加密，厚度方向中间部 分单元网格密度较稀疏。单元沿长度和宽度方向是 均匀划分的。厚度方向采用单向不均匀撒种的方 法，见图4 。 图4 模型韵三维有限元网格划分 F i g ．4 F i n i t ee l e m e n tm e s h i n go f3 - Dm o d e l 2 ．3 研究材料 选用的材料是典型的铝材，弹性模量E 6 8 G P a ，泊松比卢 0 ．3 3 。 3 有限元数值模仿真结果 图5 是整个模型在不同压缩量轧制后的残余 应力分布。 a 一压缩量较小； b 一压缩量较大 图5 整体模型V o n ．m i s e s 应力分布结果 F i g ．5 V o n r a i s e ss t r e s sd i s t r i b u t i o no fw h o l em o d e l 从压缩量较小的图5 a 中可以看出，板材表面 的是残余压应力，而心部的是残余拉应力。残余应 力的值沿着厚度方向有规律变化，残余应力先呈递 减趋势，当达到零的时候又开始逐渐增大。符合金 属材料经冷轧后表层将呈现残余压应力，而心部为 残余拉应力的规律。而在长度方向上，在相同的深 度，应力值的大小基本上是一致的，符合图1 a 中 的应力分布规律。而压缩量较大的图5 b 中，应力 分布不如图5 a 有规律，其表面主要是残余拉应 力，心部大部分为残余压应力，但分布不是很均匀， 表面还有部分的应力集中，这样的残余应力分布不 利于板材的抗疲劳能力，对今后板材的加工带来很 R料美|f遵杂词翔 万方数据 第1 期 赵丽丽等基于M S C 的板材冷轧残余应力分布的数值仿真 2 9 多不利影响。 置 | 5 要 ．． 倒 一l S I l 一3 f X l 斟 一 吲j 卢新沁汕括、 卜J ．j } 上相同的一组单元的残余应力分布。从图中可以看 出，在较小的压缩量下，应力分布比较的均匀，从表 面的压应力逐渐增大到内层的残余拉应力。在压缩 量较大的情况下，则结果相反，表面为残余拉应力， 逐渐减小到心部的残余压应力，应力分布不如压缩 量较小情况下均匀。 图6 厚度和长度方向节点的 V o n ．m i s e s 应力曲线 F i g ．6 V o n r a i s e ss t r e s sd i s t r i b u t i o nf o r b o t ht h i c k n e s sa n dl e n g t hd i r e c t i o n 图6 中曲线是分别从不同压缩量轧制后的板 材上各取厚度和长度方向的一组节点而得出的残余 应力分布曲线。曲线1 代表较小压缩量下长度方向 的残余应力分布，曲线3 表示较小压缩量厚度方向 图7 厚度方向单元的V o n - m i s e s 应力分布 残余应力值，是由表层的残余压应力一直增加到心 F i g ．7 V o n m i s e ss t r e s sd i s t r i b u t i o na l o n gt h i c k n e s s 部的残余拉应力，曲线1 很平稳，表明在厚度方向的 月珏；A - 同一深度，残余应力大小波动不大。从代表较大压 缩量的曲线2 和曲线4 可知，在厚度方向上，残余应 有限元仿真得出的板材冷轧后残余应力分布规 力先是由表层的残余拉应力一直减小为残余压应 律表明，在压缩量较小时，板材表面是残余压应力，心 力，然后逐渐增到为残余拉应力。而同一厚度的残 部是残余拉应力，在压缩量较大时，表面为残余拉应 余应力大小波动很大，走势和图1 b 大致相同。 力，内层则呈残余压应力，且分布不均匀，压缩量过大 图7 是取不同压缩量轧制后板材上厚度方向 引起的残余应力的分布不利于板材的抗疲劳能力。 参考文献 [ 1 ] 孙建中．x 一射线法测定预拉伸铝合金板材表面残余应力[ J ] ．轻金属，1 9 9 8 ， 6 5 1 5 3 ． [ 2 ] 刘勇，梁利华，贾高顺，等．逆随机边界法预测残余应力和接触应力[ J ] ．工程力学，2 0 0 1 ， 8 1 0 9 1 1 6 ． [ 3 ] 米谷茂．残余应力的产生和对策[ M ] ．北京机械工业出版社，出版年份2 1 0 2 1 4 ． [ 4 ] 方博武．金属冷热加工的残余应力[ M ] ．北京高等教育出版社，1 9 9 1 8 4 8 6 ． [ 5 ] 龚姚腾，刘晓波．一个铝板带轧制变形区三维应力模型[ J ] ．南方冶金学院学报，2 0 0 0 ，2 1 4 1 1 7 1 2 1 ． [ 6 ] 李钧泽，李金瀛．轧制不锈钢板材残余应力的测定[ J ] ．水利电力机械，1 9 9 4 ， 5 2 1 0 ． [ 7 ] 白光润，赵林，宋岚，等．异步交叉轧制变形区应力分布特征[ J ] ．东北大学学报，1 9 9 8 ，1 9 6 5 6 7 5 7 0 ． [ 8 ] 卜勇力，刘才，赵文，等．H 型钢轧制过程三维弹塑型大变形有限元模拟[ J ] ．钢铁研究学报，1 9 9 9 ，1 1 4 2 2 2 5 R e s i d u a lS t r e s sN u m e r i c a lS i m u l a t i o no fC o l dR o l l i n gB o a r dB a s e do nM S C Z H A 0L i l i ，Z H A N GY i d u B e i j i n gU n i v e r s i t yo J ‘A e r o n a u t i c sa n dA s t r o n a u t i c s ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h er e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h et y p i c a lA 1b o a r dc o l dr o l l e di sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e db yf i n i t ee l e m e n t d i g i t a lm e t h o df o rt h el a r g ee l s ．p l a s t i c sd e f o r m a t i o np r o c e s sb a s e do nt h em e c h a n i c a lm o d e lo fr o l l i n gp r o c e s se s - t a b l i s h e dw i t hM S Cs o f t w a r e ．I ti si n d i c a t e db yt h es i m u l a t i n gr e s u l t st h a tt h er e s i d u a ls t r e s si ns u r f a c el a y e ro f t h eb o a r dm a t e r i a l i St h ep r e s s u r es t r e s s ．a n di n s i d eo ft h eb o a r di St h et e n s i o ns t r e s su n d e rt h ec o n d i t i o no fal i t t l ed e f o r m a t i o n ，a n dr e v e r s e l yf o rl a r g ed e f o r m a t i o n ．T h er e s i d u a ls t r e s si sn o tu n i f o r m l yd i s t r i b u t e da n dd i s a d v a n t a g e o u st of a t i g u el i f eo ft h em a t e r i a l ．u n d e rc o n d i t i o no ft h el a r g ee l s p l a s t i c sd e f o r m a t i o n ． K e y w o r d s m a t e r i a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ；r e s i d u a ls t r e s s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；M S C ；b o a r d ；p l a s t i cd e f o r m a t i o n ；c o l dr o l l i n g 万方数据