帶鋼生產過程中，調整張力是控制產品板形、抑制板形缺陷、保證軋制過程順利進行的重要手段。光整軋制過程中張力的加載有著兩個重要的職能：實現微調帶厚和拉伸矯正板形。文章以光整機為研究對象，基于ABAQUS建立四輥光整機軋制過程仿真模型，并進行一定長度帶鋼段的勻速連續軋制(即穩定態)過程模擬，研究了板帶平整軋制過程中張力設定值與板形之間的關系以及張力大小對板形的影響效果。結果表明：張力增大可以促進軋件金屬的縱向流動，加大軋件的厚向變形，減小出口軋件的凸度，且后張力的作用效果比前張力更顯著，影響能力約為前張力的2.4倍。當張力增大時，帶鋼邊部與中部延伸差在不斷地減小，與前后張力對軋件厚向變形的影響趨勢一致，帶鋼向良好板形方向發展。
光整軋制過程是一個彈性體在摩擦力或者張力的作用下將板帶帶入輥縫中，進行壓力加工使之在縱向和橫向上產生一定的延伸的過程。在實際的生產中，板形的調控不僅和來料板凸度、初始的輥縫形狀有關，還和張力控制有很大的關系。張力的加載有著兩個重要的職能，可以實現微調帶厚和拉伸矯正板形。帶鋼張力軋制可以防止軋制中帶材跑偏，同時又能降低軋制力。在帶鋼生產過程中，調整張力是控制產品板形、抑制板形缺陷、保證軋制過程順利進行的重要的手段，因此研究張力變化對帶鋼板形的影響對于控制板形缺陷具有重要的意義。
20世紀70年代，意大利學者M. Borghesi等人就提出試用改變張力的方式改善板形，研究內容包括研究張力輸入的不同分布形式對輸出張力分布形式的影響，結果表明張力的分布由均勻變為拋物線時，帶鋼的邊浪得到改善[1]。彭鋼賢等人采用了剛塑性有限元法中的體積可壓縮法，求解了板帶軋制過程中的三維流動問題，并研究張力、板寬、壓下量、輥徑對金屬橫向流動的影響，以此為依據建立板形良好的前張力分布公式[2]。張樹堂等人開發了板帶軋制三維模擬系統，討論了改變前后張力時，軋件的三維變形特點。模擬結果顯示：增加張力限制金屬橫向流動，加大厚向變形，使斷面厚度更加均勻，其中同時改變前后張力對變形的影響效果最大[3]。劉才等用彈塑性有限元法求解了平輥軋制厚板的問題，得到了金屬流動速度和橫向寬展等結果，以圖形跟蹤形式給出了大量金屬流動信息和應力分布信息，為板形控制過程模擬、預報以及缺陷形成機理提供了一種準確而有效的分析方法[4]。張小平等通過實驗與有限元模擬的方法研究了張力對殘余應力的影響及殘余應力分布與板形的關系，得到了相似的分布規律[5]。
輥系-軋件一體化有限元模型
板形控制的實質在于對承載輥縫形狀的控制。通過有限元計算可以研究光整機承載輥縫形狀的可調控范圍，對帶鋼寬度變化、軋制力波動及軋輥輥形變化等干擾的響應。在該模型的基礎上，通過計算來獲得不同設計工況下的軋制力分布及輥間接觸壓力分布，對工作輥的彎曲變形進行分析；通過提取帶鋼的縱向延伸率分布及橫向厚差數據，可以對軋后帶鋼的板形有更加直觀的認識。
模型簡化
帶鋼的光整過程比較復雜，為了提高計算效率，并保持結果的精確度，對于模型的假設進行了一定的簡化。該光整機組為四輥單機架軋機，完整模型示意圖如圖1所示。板帶上下兩部分關于板帶厚度方向的中心線對稱，所以帶鋼在垂直方向上的中間面為對稱平面，取模型上半部分，即圖1中虛線框選的部分建立1/2模型。在模型中，將帶鋼分為三個部分：入口段、中間段、出口段。帶鋼入口和出口的部分不經過光整軋制，且長度較長；中間段的帶鋼為光整軋制段，如圖2所示。由于帶鋼在進行光整時，帶鋼寬度遠大于厚度，而且帶鋼在寬度方向上的變形量很小，所以不考慮帶鋼在寬度方向上的變形。同時認為整個變形區的摩擦規律不變，假定在整個變形區均滿足庫侖干摩擦定律，而且不考慮張力沿軋件寬度方向的不均勻分布，以及其對延伸率分布的影響。在光整軋制壓力模型的建立過程中考慮生產實際，設定軋件為彈塑性體，設定軋輥為彈性體，其主要結構及工藝參數如表1所示。支撐輥、工作輥輥形為平輥。
在劃分網格時，由于光整軋制過程中軋輥的壓下量很小，支撐輥和工作輥之間摩擦接觸的局部區域內，以及工作輥和帶鋼表面摩擦接觸的局部區域內，都采用分布較密的單元。帶鋼的單元類型選為線性減縮積分單元C3D8R。軋輥的網格劃分如圖3所示，軋件的網格劃分如圖4所示。
材料屬性與運動過程
在金屬材料塑性成形過程中，材料塑性變形的物理過程相當復雜，需要對塑性變形過程及材料屬性做出一些合理的假設，便于數學處理。對于剛塑性材料的基本假設：均質各向同性體；滿足體積不可壓縮條件；不考慮慣性力和體積力。
材料的力學性質是通過取樣目標材質帶鋼，然后進行拉伸實驗來確定的。由于試樣的尺寸與形狀對實驗結果有很大的影響，因此根據國家標準GB/T228—2002設計試樣尺寸如圖5所示，加工的拉伸試樣實物如圖6所示。
經過拉伸實驗后，試樣變形如圖7所示，實驗結果即帶鋼的應力應變關系曲線如圖8所示。由圖8可知，帶鋼的應力應變關系曲線接近于理想彈塑性本構關系模型，考慮到理想彈塑性本構關系模型能夠減少計算消耗，因此在有限元建模過程中材料本構關系選擇為理想彈塑性本構模型。
如圖9所示，光整軋制過程采用先壓下后軋制的方式。初始狀態，帶鋼處于上下工作輥之間的承載輥縫中；分析步驟一，支撐輥、工作輥壓緊帶鋼；分析步驟二，給帶鋼前后兩端施加張力；分析步驟三，輥轉動，摩擦力帶動帶鋼運動；分析步驟四，卸去載荷，停止軋制。
模型計算效果驗證
帶鋼的軋制過程分為兩部分：第一部分為軋輥壓下，此時帶鋼逐漸進入輥縫，作用在軋輥上的軋制力逐步增大；第二部分為穩定軋制階段，此時帶鋼完全填充輥縫，軋制力逐漸穩定。如圖10所示，模型計算能夠逐步達到穩定狀態，穩定軋制時的軋制力為2750 kN，與現場使用的軋制力對比，軋制力的差值在50 kN以內，驗證了模型的可行性和真實性。
張力變化對板形的影響仿真分析
選取三種前后張力組合，假設三種張力分布情況：前后張力同時變化；前張力不變，后張力逐漸增大；后張力不變，前張力逐漸增大。
根據表2所列工況，利用建立的一體化有限元模型進行計算，仿真分析不同張力條件下的板形差異。
張力變化對帶鋼凸度的影響
工況1-1至1-6有限元模擬過程中加在軋件上的前后張力相等，分別為30、40、50、60、70、80 kN，以這6個不同軋制條件建立了6個不同的光整軋制模型。光整后軋件的斷面形狀如圖11所示。
在經過軋制后，斷面形狀為矩形的帶鋼斷面厚度從中部到邊部逐漸減小。造成該現象的原因是，軋件進入輥縫后，由于軋制力的反作用，軋輥產生彈性撓曲和壓扁變形從而影響到軋件的出口斷面形狀。并且軋件的邊部出現了較為明顯的驟減的趨勢，這是由于超出帶寬以外輥間的有害接觸引起的軋件邊部減薄。
無論張力如何變化，由板帶邊部到中部壓下量都是逐漸減小的。這是因為工作輥是按平輥建模，而不是按生產實際中凸度軋輥建模，且沒有施加彎輥力，如圖12所示，工作輥在與帶鋼相接觸的部位沿著輥身方向彈性壓扁不均勻。
如圖13所示，當前后張力相等時，張力對出口帶鋼凸度的影響基本呈線性變化，帶鋼的凸度隨著張力的增大而降低，減小速率平均值為0.102μm/kN，斷面的均勻性變得良好，帶鋼的邊浪趨勢逐漸減弱。
工況2-1至2-6加在軋件上的前張力相等，后張力分別為30、40、50、60、70、80 kN，以這6個不同軋制條件建立了6個不同的光整軋制模型。光整后軋件的斷面形狀如圖14所示。
如圖15所示，當前張力不變時，后張力變化對出口帶鋼凸度的影響呈線性變化，帶鋼的凸度隨著后張力的增大而降低，減小速率平均值為0.077μm/kN，斷面的均勻性變得良好，帶鋼的邊浪趨勢逐漸減弱。
工況3-1至3-6加在軋件上的后張力相等，前張力分別為30、40、50、60、70、80 kN，以這6個不同軋制條件建立了6個不同的光整軋制模型。光整后軋件的斷面形狀如圖16所示。
當后張力不變時，前張力變化對出口帶鋼凸度的影響如圖17所示。帶鋼的凸度隨著前張力的增大而降低，減小速率平均值為0.0318μm/kN。后張力變化對軋件變形的影響與前張力趨勢一致，但后張力影響效果比前張力影響顯著，影響能力約為前張力的2.4倍。
張力變化對帶鋼延伸差的影響
如圖18所示，在帶鋼任一位置的長度lx與中心位置的長度lc之間會有一個差值，也就是延伸差。如果兩邊的延伸率大于中部，則產生對稱的雙邊浪。反之，如果中部延伸率大于邊部，則容易產生中浪。光整后的帶鋼在寬度方向上的延伸差如圖19~21所示。由于仿真工況使用平輥且沒有施加彎輥力，使得帶鋼寬度方向上的最大縱向延伸出現在帶鋼邊部，此時帶鋼比較容易產生邊浪缺陷。前張力對帶鋼延伸差的影見圖19。從圖19中可以看到當后張力不變、前張力增大時，帶鋼邊部與中部延伸差在不斷的減小，帶鋼的邊浪趨勢逐漸減弱。
后張力對帶鋼延伸差的影響見圖20，可以看到當前張力不變、后張力增大時，帶鋼邊部與中部延伸差同樣在不斷的減小，與前張力對軋件變形的影響趨勢一致，帶鋼的邊浪趨勢逐漸減弱。
前后張力對帶鋼延伸差的影響見圖21，可以看到當前后張力同時增大時，帶鋼邊部與中部延伸差同樣在不斷的減小，與前后張力對軋件變形的影響趨勢一致，帶鋼的邊浪趨勢逐漸減弱，而且前后張力的影響有疊加效應，影響效果更加顯著。
結束語
本文利用有限元模型分析了張力作用下帶鋼板形的變化規律。在相同的初始狀態下，光整軋制過程中的張力對板凸度有著比較明顯的影響：張力增大可以促進軋件金屬的縱向流動，加大軋件的厚向變形，減小出口軋件的凸度，且后張力的作用效果比前張力更顯著，影響能力約為前張力的2.4倍。當張力增大時，帶鋼邊部與中部延伸差在不斷地減小，與前后張力對軋件厚向變形的影響趨勢一致，帶鋼向良好板形方向發展。
文章來源——金屬世界