Расчет циклических термомеханических напряжений в рабочих валках в процессе горячей прокатки полос методом конечных элементов

Abstract

С целью снижения вычислительной нагрузки при моделирования процесса горячей прокатки полос разработаны упрощенные модели расчета при сохранении высокой точности результатов. Для расчетов использован упрощенный численный метод конечных элементов и модель плоского деформированного состояния валка. Отличительной особенностью модели является возможность исследования влияния циклических напряжений в приповерхностном слое валка при каждом его обороте. В результате термического анализа рабочего валка в процессе горячей прокатки установлено, что наибольшие температурные градиенты развиваются в приповерхностной области рабочего валка глубиной до 10 мм. Сжимающие напряжения возникают в зоне нагрева, а растягивающие - в зоне охлаждения. Наиболее опасные растягивающие напряжения возникают на глубине 3-6 мм от поверхности валка в первых 1-3-х его оборотах. Разработанную модель можно использовать при анализе усталостного разрушения рабочих валков, вызванного циклическими тепловыми и механическими нагрузками.

З метою зниження обчислювального навантаження при моделюванні процесу гарячої прокатки смуг розроблено спрощені моделі розрахунку при збереженні високої точності результатів. Для розрахунків використано спрощений чисельний метод кінцевих елементів і модель плоского деформованого стану валка. Відмінною особливістю моделі є можливість дослідження впливу циклічних напружень в приповерхневому шарі валка при кожному його обороті. В результаті термічного аналізу робочого валка в процесі гарячої прокатки встановлено , що найбільші температурні градієнти розвиваються в приповерхневій області робочого валка глибиною до 10 мм. Напруження стиску виникають у зоні нагріву, а розтяжіння – у зоні охолодження. Найбільш небезпечні напруження розтяжіння виникають на глибині 3-6 мм від поверхні валка в перші 1 - 3 - обороти. Розроблену модель можна використовувати при аналізі втомного руйнування робочих валків, що викликане циклічними тепловими і механічними навантаженнями.

For reduce the computing load when hot strip rolling simulation is developed the simplified calculation model with keeping of high accuracy result. For calculation used simplified numerical finite element method and roll flat strained condition model. A distinctive featuring of model is possibility of cyclical stresses in sub-surface layer of roll effect studying during every its revolution. As a result of the thermal analysis of the work roll condition during hot-rolling process established, that greatest temperature gradients develop in sub-surface zone of working roll at a depth of 10 mm. Compressive stresses appear in heating zone, tensile stresses in cooling zone. Most dangerous tensile stresses appear at a depth of 3 – 6 mm from roll surface during its first 1 – 3 revolutions. Proposed model can be used for analysis of the work rolls fatigue fracture, caused by cyclic thermomechanical loads.