h型鋼軋件熱分析的三維有限元分析

h型鋼軋件熱分析的三維有限元分析

0h型鋼開坯制備過程中的熱分析h型廣泛應(yīng)用于工業(yè)、建筑等領(lǐng)域。這是一種經(jīng)濟(jì)和實(shí)用性的材料。H型鋼斷面結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,在開坯軋制過程中變形非常大,使得軋制過程中的金屬流動(dòng)和溫度分布非常不均勻,同時(shí)其復(fù)雜的斷面也使得型鋼在軋制過程中的冷卻變得復(fù)雜。金屬流動(dòng)和溫度分布等多種因素的影響,以及工件內(nèi)部的溫度、應(yīng)變、應(yīng)變率和流動(dòng)應(yīng)力的相互影響,進(jìn)一步影響了H型鋼變形后金屬的微觀組織及其力學(xué)性能。許多人對(duì)H型鋼的軋制過程進(jìn)行了仿真分析,其中,奚鐵等、曹杰等借助有限元分析軟件SuperForm對(duì)H型鋼開坯軋制及萬能軋制過程進(jìn)行了模擬;羅雙慶等借助有限元軟件Marc完成了H型鋼開坯過程中單道次的熱力耦合仿真分析,研究了金屬流動(dòng)規(guī)律;徐旭東等利用有限元分析方法對(duì)H型鋼軋制及軋后冷卻過程進(jìn)行了二維溫度場(chǎng)的模擬,同時(shí)采用顯式動(dòng)力學(xué)有限元分析的方法模擬了不同變形參數(shù)下H型鋼的萬能軋制過程。本文針對(duì)某規(guī)格H型鋼產(chǎn)品的多道次往復(fù)開坯軋制進(jìn)行三維彈塑性熱力耦合仿真分析,深入分析了軋制過程中軋件變形和溫度場(chǎng)的分布情況,為進(jìn)一步深入研究H型鋼的軋制過程提供參考依據(jù)。1壓延工藝、模擬方案和計(jì)算方法1.1工藝流程簡(jiǎn)單近終形連鑄異物坯本文論及的產(chǎn)品規(guī)格為HN600mm×200mm(窄翼緣H型鋼,高×寬),該產(chǎn)品采用近終形連鑄異型坯,工藝流程中的主要部分如圖1所示。開坯軋制采用異型孔平軋和箱型孔立軋相結(jié)合的方法,其中異型孔兩個(gè),箱型孔一個(gè),BD(開坯)軋機(jī)軋輥及軋件簡(jiǎn)圖見圖2,軋制規(guī)程見表1。1.2開坯軋件仿真模型計(jì)算過程中為縮短求解時(shí)間而減少了單元量,根據(jù)H型鋼的對(duì)稱性進(jìn)行模型的1/4簡(jiǎn)化,同時(shí)在軋件長(zhǎng)度方向進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理,即縮短軋件長(zhǎng)度至滿足穩(wěn)定軋制階段的要求,本文軋件長(zhǎng)度定為600mm,模型的簡(jiǎn)化及網(wǎng)格見圖3。這樣,仿真分析的時(shí)間設(shè)定需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,本文按照如下原則設(shè)定求解時(shí)間:①各道次軋制過程仿真分析設(shè)定的物理時(shí)間需滿足軋件可以完全拋出的要求;②間隙空冷仿真分析的物理時(shí)間為前后兩道次實(shí)際軋制時(shí)間之和的1/2減去軋制過程仿真分析設(shè)定的物理時(shí)間,再加上實(shí)際間隙時(shí)間。軋件采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元進(jìn)行離散,軋輥采用四邊形單元進(jìn)行離散,仿真模型信息見表2。通過一次性仿真較難實(shí)現(xiàn)對(duì)多道次往復(fù)軋制的分析,且開坯軋制時(shí)間較長(zhǎng),預(yù)想一次性完成整個(gè)軋制過程的仿真分析,求解時(shí)間無法忍受。在此,筆者根據(jù)軋制規(guī)程表將整個(gè)開坯過程按照軋制道次分成多個(gè)計(jì)算模塊,在整個(gè)計(jì)算過程中,每一個(gè)計(jì)算模塊的求解結(jié)果作為下一道次求解模塊的初始條件。在仿真過程中不考慮各道次的殘余應(yīng)力。坯料出加熱爐后至BD軋機(jī)前可分為三個(gè)模塊,即出加熱爐至除鱗、高壓水除鱗、除鱗后至BD軋機(jī)前。開坯軋制部分的計(jì)算模塊見表3。本文采用熱力耦合分析方法進(jìn)行仿真,軋件鋼種為低碳鋼,采用溫度相關(guān)材料模型。假定坯料出爐溫度為1200℃,經(jīng)除鱗后進(jìn)入BD軋機(jī),完成7道次往復(fù)開坯軋制。在此計(jì)算過程中,假設(shè)除鱗時(shí)間為0.5s,除鱗過程中的傳熱系數(shù)為4.5kW/(m2·K),軋制變形過程中塑性功轉(zhuǎn)換為熱的有效系數(shù)設(shè)定為0.9;軋輥采用剛性輥,假設(shè)軋輥溫度恒定為300℃。軋輥與軋件之間的熱交換主要以熱傳導(dǎo)的形式進(jìn)行,在此假定傳熱系數(shù)為50kW/(m2·K)。高溫下的軋件存在輻射和對(duì)流,在此選擇軋件模型的表面進(jìn)行相關(guān)邊界條件的設(shè)定。本文的仿真分析過程中,全局坐標(biāo)系下的Z方向?yàn)檐堉品较?Y方向?yàn)閴合路较颉?.3耦合時(shí)間增量的計(jì)算在軋制過程熱力耦合仿真分析中,采用顯式時(shí)間積分算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算,采用隱式時(shí)間積分算法進(jìn)行溫度計(jì)算。由于隱式算法是無條件穩(wěn)定的,在一個(gè)耦合的時(shí)間增量Δt內(nèi),根據(jù)溫度計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)可以較根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)更大,這樣,在時(shí)間增量Δt內(nèi)的結(jié)構(gòu)增量步數(shù)和溫度增量步數(shù)就不相同。經(jīng)過若干耦合時(shí)間增量的計(jì)算之后,得到該道次最終的計(jì)算結(jié)果。熱力耦合計(jì)算流程見圖4。2模擬結(jié)果和分析2.1制階段仿真結(jié)果由于計(jì)算模塊較多,在此提取BD4R、BD7R兩個(gè)計(jì)算模塊穩(wěn)定軋制階段的仿真結(jié)果,如圖5、圖6所示?？梢钥闯?在開坯軋制過程中,腹板部位出現(xiàn)了“舌頭”現(xiàn)象,同時(shí)軋件頭部的翼緣部位出現(xiàn)了“燕尾”現(xiàn)象;在開坯軋制過程中,腹板減薄較大,而翼緣厚度有所增大。2.2軋件斷面溫度分布在此僅提取BD4R、BD4C和BD7R、BD7C模塊的溫度仿真結(jié)果(圖7、圖8),其中間隙時(shí)間(BD4C、BD7C)的仿真結(jié)果通過不選擇中間多層單元的方法以軋件斷開的方式(便于觀察軋件心部溫度分布)顯示?？梢钥闯?軋件的邊角部位溫降很大,主要是因?yàn)檫@些部位的表面體積比較大,散熱較快,導(dǎo)致溫度下降較快。由圖8可以看出:軋件斷面溫度分布不均,其中軋件心部溫度始終保持較高水平;穩(wěn)定軋制階段軋件表面溫度亦分布不均勻,其中翼緣端部表面溫度較低,而腰腿連接部位表面溫度較高;同時(shí)通過圖8b可看出翼緣中心外側(cè)溫度相對(duì)較高。2.3軋件各部位的溫度變化為深入研究整個(gè)開坯軋制過程中軋件各部位溫度的變化規(guī)律,筆者沿軋件長(zhǎng)度方向提取中間截面上的關(guān)鍵點(diǎn)(圖9)進(jìn)行溫度跟蹤分析,提取溫度仿真結(jié)果,將各點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化作曲線,如圖10所示。通過對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)溫度變化進(jìn)行跟蹤,可以看出:軋件各部位關(guān)鍵點(diǎn)的溫度隨軋制過程時(shí)間的增加均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì);在除鱗過程中以及與軋輥產(chǎn)生接觸的過程中,軋件表面部位關(guān)鍵點(diǎn)的溫度急劇下降;而軋件心部關(guān)鍵點(diǎn)在軋制過程中溫度出現(xiàn)一定的升高,這主要是塑性功轉(zhuǎn)化為熱的原因;另外,通過圖10c可以看出,腰腿連接部位(R角部位)內(nèi)部關(guān)鍵點(diǎn)在開坯過程的某幾個(gè)道次出現(xiàn)溫度升高的現(xiàn)象,這是因?yàn)樵摬课幌鄬?duì)厚度大,散熱困難,同時(shí)變形劇烈。通過圖8、圖10可以看出,開坯軋制后,穩(wěn)定軋制階段軋件斷面溫差在200K左右。3仿真結(jié)果對(duì)比分析利用熱像儀對(duì)生產(chǎn)過程中的軋件溫度(包括各開坯道次的入口與出口溫度)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。開坯軋制最后道次出口后的溫度測(cè)試結(jié)果如圖11所示,圖中SP01～SP05表示點(diǎn)的編號(hào)。為便于將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,沿翼緣外側(cè)和軋槽內(nèi)側(cè)分別畫線(圖11中LI01和LI02兩條線),提取對(duì)應(yīng)溫度,同時(shí)提取最后道次沿軋件長(zhǎng)度方向中間部位表面的節(jié)點(diǎn)的溫度仿真結(jié)果,按照相應(yīng)的坐標(biāo)位置進(jìn)行對(duì)稱后作曲線,如圖12所示?？梢钥闯?翼緣外側(cè)表面溫度分布不均,其中翼緣外側(cè)中心部位溫度最高,為1300K左右,而端部溫度最低,其溫差在80K左右;而軋槽內(nèi)部表面溫度分布亦不均勻,其中腰腿連接部位的溫度最高,在1350K左右,與腹板中心表面溫度的差值在80K左右。4u3000熱傳導(dǎo)(1)軋件表面裸露在空氣環(huán)境中,經(jīng)過除鱗及七道次往復(fù)軋制,軋件表面溫度首先降低,邊角部位的溫降最大,而在變形區(qū)內(nèi),由于軋輥溫度很低,和軋輥相接觸的軋件表面因?yàn)榻佑|熱傳導(dǎo)的原因,在接觸時(shí)間內(nèi)劇烈