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研究生: 顧欣杰
Hsin-Chieh Ku
論文名稱: 金屬帶材於冷軋製程之條元法理論解析、數值計算與實驗驗證
Verification of Cold Rolling Processes on Finite Strip Element Method, Finite Element Method, and Experimental Measurement
指導教授: 黃育熙
Yu-Hsi Huang
口試委員: 趙振綱
Ching-Kong Chao
胡毓仁
Yu-Jen Hu
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2015
畢業學年度: 103
語文別: 中文
論文頁數: 125
中文關鍵詞: 板形判別條元法橫向流動張力分佈
外文關鍵詞: Cold rolling process, Strip element method, Spread, flatness, tension distribution.
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本研究主要針對鋼帶在冷軋過程鋼帶寬展(Spread)分佈的探討,探討冷軋過程的寬展機制,並計算冷軋過程中的軋製力、摩擦力、張力及橫向分佈,主要目的為避免軋延後鋼帶產生邊浪或中浪之缺陷造成嚴重的產能損失。本研究探討不同材料的鋼種與板形初始狀態進行冷軋製程的理論分析與數值計算,金屬材料與板形的初始狀態分為板形初始斷面為平直狀態的不鏽鋼帶材(SUS304)、板形初始斷面為邊浪狀態的黃銅帶材(CDA-110)及鋁帶材(AL-6061),藉由條元理論分析方法與有限元素法進行理論分析與數值計算。本研究藉由條元法分析求解鋼帶在冷軋製程鋼帶之軋製力、摩擦力、張力之橫向分佈,此方法以變形區出口橫向位移為待定參數,根據最小能量原理,使用優化方法求得出口橫向位移的數值解,進而確定變形區內的流動速度場、應變速度場和應力場等,建立條元理論分析模型達到精敏軋延的冷軋製程控制能力。本研究並利用商業套裝軟體有限元素法建立冷軋數值計算模型,進行數值計算分析鋼帶冷軋過程寬度的橫向分佈變化及軋製後寬度值,並與本研究所建立之條元法理論分析模型及實驗量測結果相互驗證。經由本研究之冷軋製程對於鋼材之板形控制,獲得冷軋前後之寬展分佈機制,並建立板形控制快速分析模型,同時利用有限元素法驗證鋼材於冷軋之寬展分佈,以確立進行冷軋製程於理論分析快速運算的正確性,亦採用實驗驗證數值數值計算的分析模型,故本研究藉由理論分析、數值計算與實驗量測完整建構鋼帶於冷軋製程中之板形控制的相關參數,以提升鋼廠冷軋製程現場之板形控制能力。


A finite strip element method is presented for analyzing the three-dimensional deformations and stresses of large cylindrical shell rolling process. In this study, the verification of cold rolling processes on finite strip element method (SEM), finite element method (FEM), and experimental measurement for flatness of stainless steel, aluminum and brass, respectively. The traditional theory of strip rolling is based on plane strain deformation, which ignores the lateral displacement of metal, distribution of thickness deformation, so that the outlet flatness cannot considered according to rolling pressure and front and back tension. FEM numerical calculation has also been widely used for analyzing the rolling process. In cold rolling process, each of these rotations must be divided into a large number of deformation increments, hence the number of increments is several times more than that in other metal forming simulation. In the SEM approach, the uneven distributions of deformations and stresses at the roll gap are taken into account. The rolling deformation zone is divided into a number of strip elements along the width directions. In order to reduce the optimization parameters and improve the computation efficiency, the exit lateral displacement distribution is expressed as linear differential function and third power spline function, respectively. Based on the fundamental principles of plasticity, the three-dimensional deformations and stresses of the deformation zone are formulated. The SEM results can be obtained quickly and easily. The predicted rolling force and average spread of the proposed method are in agreement with the experimental and FEM results.

中文摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 IV 圖目錄 VIII 表目錄 XII 符號說明 XIII 第一章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 研究目的與方法 1 1.3文獻回顧 2 1.4 論文架構 4 第二章 冷軋製程相關理論 6 2.1 板形之橫向厚度差理論 6 2.2 條元分析法之發展 10 2.2.1矩形條元分析法 11 2.2.2流線條元分析法 12 2.2.3流面條元分析法 14 2.2.4條層分析法 15 2.3 有限元素法基礎理論 16 2.3.1有限元素法分析流程 18 2.3.2有限元素法基礎計算 19 2.3.3顯式與隱式計算方法 21 第三章 條元分析法基本概念與原理 25 3.1 橫向位移函數與條元分割模型 25 3.1.1 基本假設 25 3.1.2 橫向位移函數 26 3.1.3 條元分割模型 27 3.2流動速度和應變速度 30 3.2.1出口縱向流動速度 30 3.2.2變形區內的流動速度 32 3.2.3金屬相對輥面的滑動速度和位移 34 3.2.4應變速度和剪應變速度強度 35 3.3前、後張力與摩擦力之橫向分佈 37 3.3.1前張力之橫向分佈 37 3.3.2後張力之橫向分佈 39 3.3.3接觸表面摩擦力 41 3.4三向應力與單位軋製壓力 44 3.4.1變形區之三向應力模型 44 3.4.2縱向平衡微分方程 45 3.4.3單位軋製力 48 3.5板材之軋製幾何參數 50 3.5.1鋼帶厚度 50 3.5.2鋼帶相對長度 51 3.5.3變形阻抗、變形區長度與軋輥彈性壓扁半徑 52 3.6節線出口橫向位移研究方法 54 3.6.1鋼帶軋製時之變分原理 54 3.6.2條元法的功率罰函 55 3.6.3優化求解節線出口橫向位移 57 3.7 優化方法 58 3.7.1模式搜索 58 3.7.2模式移動 59 3.7.3數值求解方法 59 3.8條元法計算步驟 60 3.8.1 給定已知數據 62 3.8.2 計算與橫向位移無關的參數 62 3.8.3 計算與橫向位移有關的參數 66 3.8.4 計算總功率罰函 70 3.8.5 優化計算 71 3.8.6 最終計算並輸出結果 71 3.9鋼帶冷軋製程之條元法分析結果討論 72 3.9.1 鋁帶材之條元分析法結果 72 3.9.2 黃銅帶材之條元分析法結果 77 3.10 比較討論 81 3.10.1鋁與黃銅帶材之功率分配 81 3.10.2線性插值與三次樣條函數插值模型的比較 82 第四章 冷軋製程之有限元素法分析 84 4.1 背景環境分析流程 84 4.1.1 鋼帶之有限元素模型建立 85 4.2 鋼帶於冷軋製程有限元素分析結果 97 4.2.1 不鏽鋼五道次軋延實驗結果 97 4.2.2 不鏽鋼冷軋製程之分析結果 99 4.2.3 鋁帶材冷軋製程之分析結果 104 4.2.4 黃銅冷軋製程之分析結果 106 第五章 鋼帶於冷軋製程結果驗證 109 5.1 不鏽鋼鋼帶冷軋之數值計算與實驗量測結果比較 109 5.2 鋁帶材冷軋之條元理論解析與數值計算結果 110 5.2.1 鋁帶材之條元分析法結果驗證 110 5.2.2 鋁帶材之條元分析法與數值計算結果比較 112 5.3 黃銅帶材冷軋之條元理論解析與數值計算結果 113 5.3.1 黃銅帶材之條元分析法結果驗證 113 5.3.2 黃銅帶材之條元分析法與數值計算結果比較 116 第六章 結論與未來工作 117 6.1 結論 117 6.1.1 條元分析法之結論 117 6.1.2 有限元素法數值計算之結論 118 6.2 未來工作 120 參考文獻 122

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