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辊式矫直机有限元仿真及1辊对板材矫直质量影响研究

一、引言

（一）研究背景与意义

在现代工业制造领域，板材作为基础材料，广泛应用于建筑、汽车制造、航空航天等众多行业。随着工业技术的不断进步，各行业对于板材加工精度的要求日益严苛。板材的平直度不仅影响着产品的外观质量，更对其后续加工性能和使用性能起着决定性作用。例如在航空航天领域，微小的板材不平直度都可能影响飞行器的空气动力学性能，进而威胁飞行安全；在汽车制造中，不平整的板材会导致车身装配精度下降，影响整车的密封性和耐久性。

辊式矫直机作为保证板材平直度、降低板材残余应力的关键设备，在板材加工流程中占据着核心地位。它通过对板材施加多次反复弯曲作用，使板材内部的应力分布趋于均匀，从而达到矫正板材形状缺陷的目的。在实际生产中，辊式矫直机的矫直质量受到多种因素的综合影响，其中1辊作为板材进入矫直机的首个关键调整辊，其工作状态的微小变化都可能引发连锁反应，对整个板材的矫直过程产生深远影响。

1辊的压下量直接决定了板材在初始阶段所受到的弯曲变形程度。如果1辊压下量过小，板材无法得到充分的初始矫正，后续辊子需要承担更大的矫正负荷，这不仅可能导致板材在后续矫直过程中出现矫正不充分的情况，还可能因局部应力集中而引发新的缺陷；反之，若1辊压下量过大，板材可能会在初始阶段就产生过度的塑性变形，使得板材内部组织结构发生不合理变化，同样会影响板材的最终质量。1辊的位置变化也会改变板材与后续辊子的接触状态和受力分布，进而影响板材在整个矫直过程中的变形路径和残余应力分布。

深入开展1辊对板材矫直质量影响的研究，对于优化辊式矫直机的矫直工艺、提高板材加工质量具有重要的实际工程价值。从企业生产角度来看，通过精准掌握1辊的作用规律，能够减少废品率，提高生产效率，降低生产成本；从行业发展角度出发，有助于推动板材加工技术的进步，提升我国制造业在国际市场上的竞争力。

（二）研究目标与内容

本研究基于先进的有限元仿真技术，旨在全面、深入地剖析1辊调整对板材矫直过程中应力分布、残余曲率等关键指标的影响规律。具体而言，通过建立精确的辊式矫直机有限元模型，模拟不同1辊压下量和位置条件下的板材矫直过程，获取板材在矫直过程中的应力、应变等数据。

在研究过程中，重点关注板材矫直过程中的应力分布情况。应力分布的均匀与否直接关系到板材的矫直质量，不均匀的应力分布可能导致板材在后续使用过程中出现变形、开裂等问题。通过有限元仿真，详细分析1辊调整如何改变板材内部的应力分布，找出应力集中区域及其产生的原因，为优化矫直工艺提供关键依据。

残余曲率是衡量板材矫直质量的重要指标之一。研究不同1辊调整参数下板材的残余曲率变化规律，建立1辊压下量与残余曲率之间的定量关系模型。通过该模型，能够在实际生产前预测不同1辊调整方案下的板材残余曲率，从而指导操作人员选择最优的矫直工艺参数，确保板材的矫直质量符合要求。

综合分析应力分布和残余曲率的研究结果，提出基于1辊优化调整的板材矫直工艺改进策略。将研究成果应用于实际工程案例，验证改进策略的有效性和可行性，为辊式矫直机在板材加工行业的高效、精准应用提供坚实的理论支撑和实践指导。

二、辊式矫直机理论基础与质量评价

（一）辊式矫直机工作原理

1.多次反复弯曲矫正机制

辊式矫直机的工作过程基于多次反复弯曲矫正机制，这是其实现板材矫直的核心原理。当轧材进入辊式矫直机时，会通过上下交错排列的辊组。在这个过程中，板材受到多次弹塑性反弯作用。由于在轧制产品中，多数轧件的形状缺陷表现为原始曲率的数值和方向都是不定的（在0～±1／(r0)min之间），而经过同一曲率的弹塑性反弯后，残余曲率有趋向一致的特性。

以理想弹塑性材料为例，当矩形断面轧件上存在两段方向不同的初始状态曲率时，假设m段的相对原始曲率(1／r0)／(1／Pw)=Cr0=1，n段的相对原始曲率Cr0=-1。在第一次反弯时，设定相对反弯曲率Cρ=(1／ρ)／(1／ρw)=3，经过这样的弯曲并弹复后，m段和n段的残余曲率值已较为接近。这两个残余曲率将成为下一次反弯的原始曲率。在第二次反弯时，再次设定反弯曲率Cρ=3，弹复后残余曲率基本相等。此时，再选择一个合适的反弯曲率，如Cρ=1.44，经过弹复后轧件就能够被成功矫直。

从微观角度来看，在弹塑性反弯过程中，板材内部的晶体结构会发生变化。当板材受到弯曲力时，外层晶体受到拉伸，内层晶体受到压缩。在弹性阶段，晶体的变形是可逆的，一旦外力去除，晶体能够恢复到原来的状态。随着弯曲力的增加，当达到屈服强度时，晶体开始发生塑性变形，产生位错运动，晶体结构发生不可逆的改变。通过多次反复弯曲，使得板材不同部位的晶体结构逐渐调整，残余曲率趋向一致，