朱国明1，康永林1，陈伟1，马光亭2，林积生2，万军2
(1．北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083；2。莱芜钢铁集团有限公司，山东莱芜271104)
摘要：借助于LS—DYNA仿真软件，在H型钢轧制全程的热力耦合仿真分析结果的基础上，完成了对轧后H型钢翼缘外侧强制冷却及改善终轧H型钢断面温度分布情况下的H型钢残余热应力状态的三维热力耦合仿真分析。针对述及的热轧H型钢产品，根据仿真结果分析得到：采用轧后强制冷降翼缘外侧的方法，可改变H型钢断面残余应力的分布状态，降低H型钢腹板部位的压应力；同时，可改善H型钢终轧断面的温度分布，降低终轧断面温差，使轧后H型钢残余应力得到改善，其中残余拉、压状态的应力值均可降低。
关键词：H型钢；残余热应力；强制冷却；热力耦合；有限元方法；腹板波浪
中图分类号：TG335．44 文献标识码：A 文章编号：1003—9996(2007)04—0022—05
Thermal Mechanical Coupled Finite Element Analysis of Reduction the Residual Stress in H-beams
ZHU Guo-ming1，KANG Yong-lin1，CHEN Wei1，MA Guang-ting2，LIN Ji-sheng2，WAN Jun2
(1．University of Science＆Technology Beijing，Beijing 100083，China；2．Laiwu Ironl§-Steel Incorporation．Laiwu 271104，China)
Abstract：Commercial FEM program LS-DYNA has been used to do the simulation of thermal residual stress in H—beam，with the thermal mechanical coupled method and the whole rolling process simulation result used as the initial thermal field．The simulation results show that，with forced cooling on the outside of the flange，the residual compressive stress in the flange become smaller and with temperature difference reduced both of the compression and tension become smaller．
Key words：H—beam；residual stress；forced cooling；thermal mechanical coupled；；FEM；wave of web
1 引言
近年来，随着我国社会经济建设的快速发展和国内钢结构市场的蓬勃兴起，环境保护的法律法规逐步健全，H型钢作为一种经济断面型钢，已经被广泛地应用于国民经济建设的各个领域[1]。国内H型钢的需求量正日益增加，特别是大型H型钢生产线在最近几年已建成多条。随着对H型钢研究的不断深入，残余应力的问题相应的突出出来。特别是大型、小腰腿厚度比的H型钢，由于轧后H型钢断面温度分布不均，导致空冷之后的残余热应力直接影响产品的质量。其中H型钢腹板冷却波浪[2]、使用过程中的腹板开裂等问题直接与之相关。相应的控制热轧大型H型钢残余应力的研究正在逐步展开。
目前国内对H型钢残余应力的研究[3-5]主要是从变形不均匀的角度出发，往往忽视了温度不均匀导致的残余热应力部分。本文作者以热轧HN700×300×13／20 mm大型H型钢为研究对象，通过三维热力耦合有限元方法，对改善残余热应力分布的不同方法，进行了相关仿真分析，以为对热轧H型钢残余应力的控制提供参考。
2仿真方法及计算模型。
本文述及的是降低H型钢轧后残余热应力的仿真分析，由于轧后H型钢断面的温度分布无法通过测量的方法直接得到，在此为保证H型钢断面温度分布的准确性，首先需要完成H型钢全轧程的热力耦合仿真分析，利用在终轧温度仿真计算结果完成H型钢残余热应力的仿真分析。
本计算通过以下几点假设进行：
(1)假设沿轧件长度方向各断面的温度分布为终轧稳定轧制阶段断面温度场，初始温度场采用全轧程仿真分析计算结果，其稳定轧制阶段断面温度场分布如图1所示。
(2)假设轧件终轧时刻初始残余应力为零。
(3)假设轧件为弹塑性，初始长度为3000mm，且以1／4对称简化，轧件的网格如图2所示。
(4)假设轧件头尾平齐，无舌头或鱼尾形状出现，这个假设是热锯后H型钢的理想假设。
(5)假设当H型钢整体温度接近环境温度28℃，且整体温差低于15℃时的残余应力状态为常规应力状态。
有限元方法根据积分算法的不同可以分为：隐式算法和显式算法。其中隐式算法是无条件稳定的，而显式算法是条件稳定算法。在生产实践的过程中，两者均有很好的应用，但是两者针对的研究问题侧重点不同。特别是在计算残余应力的时候，由于显式算法的局限，即使大幅度增加求解的物理时间，也很难达到理论的稳定状态。同时隐式算法为无条件稳定，采用隐式计算仅需要一定数量的计算就可以到达稳定状态。在本文中，作者采用隐式时间积分算法，计算流程见图3。
针对模型1／4简化，在对称平面内采用对称约束边界条件。轧后H型钢的散热方式主要为辐射和对流2种情况。在本研究中，在空冷过程中对轧件表面施加辐射与对流2种边界条件。
在轧后H型钢残余应力的计算过程中，轧件仍处于高温状态，此时其屈服强度相对较低，轧件局部会进入塑性区，产生塑性变形，因此就需要采用弹塑性材料。本文中H型钢轧件采用温度相关弹塑性材料模型。在热力耦合分析过程中，考虑到温度对材料力学性能的影响，需要定义与温度相关的基本结构材料参数，如：密度、弹性模量、泊松比、屈服强度等，同时需要定义基本的热力学参数，如：被研究材料的比热、导热系数。本文针对的钢种为Q235B。
材料的热膨胀是导致产生热应力的原因[6]，根据研究问题的侧重点不同，在热力耦合的分析过程中如考虑热应力则需要对热膨胀系数进行定义；反之，如不考虑热应力热膨胀系数就不需要进行定义。在本文中所用线热膨胀系数定义为1．2×10-5／℃。
3轧后H型钢空冷过程残余应力计算结果
提取空冷10000S时的计算结果，图4为映射后残余应力的计算结果云图。通过图4可以看出：H型钢空冷后的残余热应力分布复杂，其中在轧件长度方向上，H型钢腹板部位整体表现为压应力，翼缘与腹板的连接部位表现为拉应力状态，同时翼缘端部表现为压应力状态；就整个轧件而言，由于受到轧件头尾自由端的影响，在沿长度方向的残余应力分布并非均匀。
图5是H型钢长度方向中间截面关键点轧向残余应力的时间历程曲线。可以看出：随着空冷时间的增长，关键点的应力状态出现波动，最终趋于稳定。这样一来，最终计算所得的空冷结果可以作为常温下的轧件进行研究。
4轧后H型钢翼缘外侧强制冷却对残余应力的影响
H型钢的控制冷却主要是轧后针对翼缘的强制冷却，其中包括：喷水、喷射、喷雾等冷却形式。H型钢轧后断面温度最高部位出现在“腿腰”连接部位，由于轧后H型钢“翘头”、“叩头”、“侧弯”现象以及于轧后传输辊道上运送时的不平稳等原因，导致冷却H型钢轧槽内R角的设备设计非常复杂。在此，作者仅对轧后翼缘外侧强制冷却进行相关研究。本文假设采用1500W／(m2·K)与3000W／(m2·K)两种冷却强度分别对轧后H型钢翼缘外侧进行强制冷却8s，然后计算空冷10000S。应力场计算结果如表1所示。通过表1可以看出，强制冷却8S，由于翼缘外侧温降，该部位金属收缩，而受内侧金属的限制，这时候表现出来的是：翼缘外侧为较强的拉应力状态，而翼缘内侧及腹板表现出来的是较强的压应力状态。
强制冷却后进入空冷10000S的计算结果，分析表1可以看出，经过强制冷却后H型钢残余应力分布发生变化，特别是翼缘部位的残余应力在厚度方向上分布明显不均，整个断面的残余拉应力峰值仍旧出现在H型钢的腿腰连接部位，而压应力峰值出现转移，最大压应力由腹板中心转移到翼缘外侧，即强制冷却部位。同时经其强制冷却后的翼缘厚度方向的应力分布出现不均匀现象，产生外侧受残余压应力，内侧受残余拉应力；当冷却强度越大，一定时间内的温降越明显，最终的残余压应力影响区域在翼缘厚度方向上将会扩大。
虽然H型钢腹板部位整体应力状态仍是压应力状态，但是腹板部位的压应力明显降低，图6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／(m2·K)与3000W／(m2·K)两种冷却强度，腹板压应力分别降低15MPa与40MPa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。
5 终轧H型钢断面温度分布情况对残余应力的影响
导致轧后空冷过程中H型钢残余应力分布状态：腹板整体为残余压应力、翼缘整体表现为残余拉应力，腿腰连接部位为拉应力的较高区域的结果，主要是因为轧后H型钢断面温度的分布不均匀。作者在全轧程仿真计算结果的基础上，通过将断面最大温差减小50℃与100℃的两种情况分别进行计算，以研究终轧断面温度分布对残余应力的影响。
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50℃与100℃。针对两种情况，进行相关计算。
经过10000S后的空冷过程，得到不同初始断面温度分布状态下的残余应力结果，如图7所示。可以看出：虽然残余应力的分布状态基本没有发生改变，但是残余应力的大小变化明显。取1／2轧件长度处断面单元，轧向应力按照其所处位置所画的分布曲线，如图8所示。
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50 MPa和110 MPa左右。
采用类似的方法，断面最高温度假设不变，提高H型钢断面温度最低值的方法，将最低值分别提高50℃与100℃，经过计算，其结果与降低最高值的情况基本相同，在本文中将不再进行详细描述。
6 结论
本文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仿真分析的计算结果基础上，针对HN700×300规格大型H型钢，进行了轧后强制冷却翼缘以及改变断面温差假设条件下的残余热应力钧相关仿真分析，得到如下结论：
(1)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；
(2)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。
致谢：感谢山东省莱芜钢铁集团有限公司提供了H型钢轧制的相关资料，同时感谢美国LSTC公司为本研究提供了软件支持与帮助。
参考文献：
[1]李庆中．中国国内H型钢市场分析EJJ．钢结构，2006，21(1)：94．
[2]周光理，陶凌彦．热轧H型钢腹板波浪质量攻关[J]．轧钢，2003，20(1)：69—70．
[3]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)：1 3—16．
[4]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，2006，21(1)：49 53．
[5]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．
[6]吴德海，任家烈，陈森灿．近代材料加工原理[J]．北京：清华大学出版社，1997．
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