材料計算機(jī)數(shù)值模擬

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上材料計算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)課論文姓 名： 譚 元 標(biāo) 學(xué) 號： S 學(xué) 院： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè)： 材料學(xué) 論文題目：計算機(jī)數(shù)值模擬在材料軋制過程中的應(yīng)用授課老師： 楊慶祥教授 專心-專注-專業(yè)計算機(jī)數(shù)值模擬在材料軋制過程中的應(yīng)用譚元標(biāo)（燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北秦皇島，）摘 要 近年來，數(shù)值模擬仿真技術(shù)以其高效、低成本的優(yōu)勢在鋼鐵工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著計算機(jī)水平的進(jìn)步和發(fā)展，國內(nèi)外許多學(xué)者開始用數(shù)值模擬的方法對線材軋制的過程進(jìn)行研究。有限元模擬仿真技術(shù)已經(jīng)被公認(rèn)為是對材料變形過程、傳熱過程、產(chǎn)品質(zhì)量和軋制力學(xué)參數(shù)等進(jìn)行預(yù)測和開發(fā)新產(chǎn)品的一種非常有效的分

2、析工具。它具有成本低、開發(fā)周期短并能超前再現(xiàn)許多用物理模擬或?qū)嶒炿y以進(jìn)行的加工過程的特點。本文主要闡述了數(shù)值模擬法在軋制過程中的一些應(yīng)用，包括數(shù)值模擬在摩擦力，軋制力，溫度場，應(yīng)力應(yīng)變場等方面的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬； 軋制； 應(yīng)用1.前沿材料軋制成形過程是一個同時包括幾何非線性、材料非線性、邊界非線性和熱-力耦合等因素在內(nèi)的復(fù)雜的變形過程，軋件的成形質(zhì)量受到多種因素的影響，這就對成形控制帶來很大困難。傳統(tǒng)的軋制過程中，只能在提出初步設(shè)計方案的基礎(chǔ)上,采用“試錯法”經(jīng)過大量的實驗反復(fù)調(diào)試才能得到較為理想的產(chǎn)品。這樣會延長產(chǎn)品的研制周期，增加產(chǎn)品成本，并造成設(shè)備的提前報廢，浪費大量的人力和物力。

3、隨著現(xiàn)代計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，有限元及有限差分方法應(yīng)用越越廣泛，通過建立適當(dāng)?shù)挠邢拊碚撃Ｐ?，描述材料固態(tài)加工及熱處理的物理過程。然后，采用有限元及有限差分法對這些物理過程的溫度場、應(yīng)力場、應(yīng)變場、微觀組織場等進(jìn)行精確的定量數(shù)值模擬計算。只要通過少量的實驗驗證理論模型及數(shù)值模擬計算的準(zhǔn)確性，就可以利用計算機(jī)對大量的實際軋制進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)值模擬。這樣就實現(xiàn)了基于計算機(jī)數(shù)值模擬的軋制過程。通過大量的計算機(jī)數(shù)值模擬計算，可以建立軋制工藝參數(shù)與軋制后性能的定量關(guān)系。這些數(shù)值模擬計算結(jié)果可以用于優(yōu)化材料軋制工藝參數(shù)。日本早在20世紀(jì)60年代起就開始對軋制過程進(jìn)行仿真研究1。在我國近年來，數(shù)值模擬技術(shù)在中厚板軋

4、制方面得到廣泛應(yīng)用，并且出現(xiàn)了大量的研究成果，不僅揭示軋制過程中板料內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度分布規(guī)律和板料外部宏觀幾何形狀的變化，而且能模擬輥系變形，進(jìn)而達(dá)到控制板形的目的。FEM在1956年由Turner、Clought2等在解決飛機(jī)結(jié)構(gòu)剛度問題時首次采用，Clought3在1960年首次采用了“有限元法”這一術(shù)語。FEM的基本思想是將連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散為有限個單元，并在每個單元中設(shè)定有限個節(jié)點，將連續(xù)體看作只是在節(jié)點處相聯(lián)接的一組單元的集合體，同時選定場函數(shù)的節(jié)點值作為基本未知量，并在每一單元中假設(shè)一近似插值函數(shù)以表示單元中場函數(shù)的分布規(guī)律，作為基本未知量，并在每一單元中假設(shè)一近似插值函數(shù)以表示單

5、元中場函數(shù)的分布規(guī)律，進(jìn)而利用力學(xué)中的變分原理，建立用來求解節(jié)點未知量的有限元方程，從而將一個連續(xù)域中的無限自由度問題轉(zhuǎn)化為離散域中的有限自由度問題。一經(jīng)求解就可以利用解得的節(jié)點值和設(shè)定的插值函數(shù)確定單元上以至整個集合體上的場函數(shù)。2.數(shù)值模擬在軋制中的應(yīng)用2.1數(shù)值模擬對軋制過程中摩擦力的研究摩擦在塑性加工中占有非常重要的地位，一直作為塑性加工中的一個重要組成部分。隨著塑性成形技術(shù)的進(jìn)步，軋制工藝與技術(shù)的不斷成熟和軋制在現(xiàn)代化生產(chǎn)中占據(jù)的顯著地位，軋制過程中的摩擦與潤滑問題顯得越來越重要。在軋制過程中，軋輥與板料的摩擦力成為軋件運動的主動力，即軋制過程是以摩擦力作為驅(qū)動力，在后滑移區(qū)軋件受到

6、沿軋制方向正向的摩擦力，在前滑移區(qū)軋件受到沿軋制方向反向的摩擦力，且前者大于后者，使得板料能夠通過與軋輥之間的摩擦力的作用完成軋制過程。張清泉4等通過數(shù)值模擬法對中厚板軋制過程進(jìn)行了模擬，分析了摩擦力對軋制過程的影響。其結(jié)果表明:摩擦力沿接觸弧的變化規(guī)律比較復(fù)雜，它既不服從于簡單的摩擦定律也不服從變形區(qū)內(nèi)摩擦力為常值的粘著假設(shè)，它和金屬的滑動是密切相關(guān)的。利用有限元模擬軟件可以準(zhǔn)確地對軋制過程進(jìn)行模擬，也為深入研究中厚板軋制過程中的摩擦規(guī)律提供了工具。2.2 數(shù)值模擬對溫度場的研究軋制溫度是中厚板軋制過程中的重要工藝參數(shù)之一，溫度對軋件的塑性和變形力能參數(shù)的影響很大，而且軋制溫度制度的優(yōu)劣和執(zhí)

7、行情況對軋制產(chǎn)品的性能、厚度公差、變形抗力和板形好壞也有著極其重要的影響。一般情況下，隨著溫度的升高金屬以及合金的屈服極限、強(qiáng)度極限、硬度等都會降低，因此軋制時溫度的研究對于整個軋制過程的研究有著舉足輕重的作用。絕大多數(shù)中厚板廠都采用紅外線測溫儀對板料溫度進(jìn)行監(jiān)測，但是測溫儀只能測得板料表面溫度，無法測得板料的內(nèi)部溫度。如想利用儀器設(shè)備得到板料內(nèi)部的溫度，目前可使用的方法是接觸測量法5，即在板料內(nèi)部放置熱電偶。熱電偶使用方法的復(fù)雜性限制了其使用范圍。采用數(shù)值模擬的方法可對軋制過程(包括軋前、軋中、軋后)的瞬態(tài)溫度場進(jìn)行模擬，因此可以更好的了解軋制過程中溫度場的變化，從而控制軋制過程。朱啟建6利

8、用有限元分析軟件ANSYS對中厚板軋后的控制冷卻進(jìn)行了研究，模擬冷卻過程中的瞬態(tài)溫度場的變化情況，并開發(fā)出多種優(yōu)化控冷模型。通過數(shù)值模擬法，不僅可以得到各種冷卻條件下鋼板的溫度狀況，而且還可以根據(jù)各種預(yù)期目標(biāo)板終冷溫度、鋼板冷卻速度或過程溫度、板形平直度等)，對冷卻供水集管組數(shù)的開關(guān)、上下集管出水量比和流量的調(diào)節(jié)，使冷卻過程達(dá)到雖優(yōu)化。研究成功應(yīng)用于中厚板生產(chǎn)，在控制冷卻方面為新品種、新工藝開發(fā)提供了重要技術(shù)支持。周維海7等采用塑性大變形藕合有限元法研究了板帶熱軋過程，應(yīng)用有限元軟件ARC的二次開發(fā)技術(shù)建立了板帶軋制模型，重點分析了軋制過程和變形區(qū)中軋件的溫度分布和溫度變化過程。許楊中8等采用

9、數(shù)值模擬法對軋件熱軋結(jié)束瞬間軋件表面溫度場進(jìn)行了模擬，其結(jié)果表明：軋制結(jié)束瞬間，棒材從表面到心部溫度逐漸升高。沿著軋制方向，表面溫度呈下降趨。2.3 數(shù)值模擬對應(yīng)力應(yīng)變場的研究材料在軋制過程中，不同變形條件下軋件各個部位、任何時刻應(yīng)力應(yīng)變的分布及變化都不相同9，不同部位的應(yīng)力應(yīng)變不同，最終導(dǎo)致材料的力學(xué)性不均勻，因此，研究軋制過程中。軋件各個部位的應(yīng)力應(yīng)變具有重要意義。通過實驗研究軋件各個部位的應(yīng)力應(yīng)變的分布情況非常困難。數(shù)值模擬法為計算軋件各個部位的應(yīng)力應(yīng)變的分布提供了一種非常方便且有效的方法。利用數(shù)值模擬法可以得到不同道次、不同變形條件下軋件各個部位、任何時刻的應(yīng)力應(yīng)變的分布變化，通過應(yīng)力

10、應(yīng)變的計算結(jié)果可以判斷軋件各個部位的變形狀態(tài)機(jī)受力狀態(tài)，用對孔型及工藝設(shè)計提供參考。劉立忠10等采用大型有限元分析軟件ANSYSLSDYNA建立軋制模型，分析了顯式動力學(xué)彈塑洼有限元法的計算過程，并對中厚板軋制過程進(jìn)行了模擬計算，對應(yīng)力應(yīng)變的分布進(jìn)行了研究。通過模擬計算，得出了包括咬入、穩(wěn)定軋制和拋鋼三個階段的整個軋制過程的應(yīng)力應(yīng)變場，驗證了采用顯式動力學(xué)有限元法塒軋制過程進(jìn)行模擬分析是可行的。2.4 數(shù)值模擬對軋制力的研究軋制力是軋制過程中最敏感最重要的參數(shù)，也是生產(chǎn)現(xiàn)場最關(guān)心的參數(shù)之一，如果軋制力估算過低，就不能充分發(fā)揮軋機(jī)的生產(chǎn)潛力，如果估算過高，則有可能造成軋機(jī)部件的破壞。軋制力的準(zhǔn)確

11、計算對尺寸公差和板形的控制也有重要意義。顯式動力學(xué)有限元法在板帶軋制模擬中得以應(yīng)用后，針對軋制力的研究成果開始大量涌現(xiàn)。最早把顯式動力學(xué)有限元法應(yīng)用于軋制過程模擬研究的是BKChen11等，他們用這一方法模擬了平面應(yīng)變板帶軋制過程，分析了軋制壓力分布與軋件金屬流動特征。Lars Erik、Lindgren12等分別采用顯式動力學(xué)有限元法和隱式靜態(tài)有限元法建立的二維模分析了板帶軋制過程，經(jīng)對照得出結(jié)論：在計算速度上前者快于后者，但由于顯式動力學(xué)有限元法精度相對較低，當(dāng)時沒有引起人們的足夠重視。近年來，隨著顯式動力學(xué)有限元法的進(jìn)一步發(fā)展，它在板料成形及碰撞沖擊領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。謝紅飆13-1

12、6等用顯式動力學(xué)有限元法分析了板料寬度、壓下率對板帶軋制力分靠的影響；張國民17等模擬了三維彈塑性板帶軋制過程，分析了板帶軋制力的分布。胡水平18等對熱軋變形區(qū)的軋件進(jìn)行了受力分析，得到了軋制壓力的理論解。孫登月19等采用微分單元法并考慮了軋輥和軋件的彈性變形，導(dǎo)出了冷軋生產(chǎn)中的軋制壓力模型。劉玉鵬20對線材軋制過程中軋制力研究，其結(jié)果表明：開始軋制時，軋件在摩擦力的驅(qū)動下軋件逐漸咬入孔型中，隨著壓下量的增加，軋制力隨時間步長的增加而顯著升高，此過程為非穩(wěn)態(tài)軋制過程，軋制力發(fā)生突變。隨著時間步長進(jìn)一步增加，軋制力開始達(dá)到一定值后不再隨步長的增加而發(fā)生顯著變化，軋制力與軋制力矩在一個很小的范圍內(nèi)

13、波動，軋件充滿輥縫，軋制由非穩(wěn)態(tài)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過程。此后，隨著時間增量步長的增加，軋制力開始減小，軋件即將脫離軋輥，軋制開始由穩(wěn)態(tài)階段進(jìn)入非穩(wěn)態(tài)軋制階段，當(dāng)軋件開始在下一道次咬入時，軋制力與軋制力矩又隨著時間增量不的增加發(fā)生急劇上升，重復(fù)先前的變化規(guī)律。3.結(jié)束語材料軋制成形過程是一個同時包括幾何非線性、材料非線性、邊界非線性和熱-力耦合等因素在內(nèi)的復(fù)雜的變形過程。摩擦力，軋制溫度，軋制力，軋制過程中應(yīng)力應(yīng)變對材料軋制之后的性能有重要的影響。通過實驗研究的方法來研究這些因素對軋制的影響非常困難。隨著現(xiàn)代計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，有限元及有限差分方法應(yīng)用越越廣泛，通過建立適當(dāng)?shù)挠邢拊碚撃Ｐ?，可以非常容易的?/p>

14、述溫度場、應(yīng)力場、應(yīng)變場、微觀組織場等對軋制過程的影響。只要通過少量的實驗驗證理論模型及數(shù)值模擬計算的準(zhǔn)確性，就可以利用計算機(jī)對大量的實際材料軋制過程進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)值模擬。這些數(shù)值模擬計算結(jié)果可以用于軋制工藝參數(shù)的制定。這樣大大降低產(chǎn)品成本，延長了設(shè)備的報廢時間，節(jié)約大量的人力和物力。1 周旭東,劉香茹. 熱連軋過程直接法動態(tài)仿真J. 河南科技大學(xué)學(xué)報, 2003,24(2):13-15.2 M. J. Turner. R. W. Clough et al. J. Aero, sci. 1956, 23:805-824.3 R. W. C1ough. The Finite Element Met

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