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板带热轧过程多参数耦合数值模拟

张国民  
【摘要】:热轧板带材是重要的钢铁产品,广泛应用于众多领域。近半个世纪以来,热轧板带生产得到了迅猛发展。板凸度和板形精度是板带产品的重要质量指标,一直是板带生产和研究中关注的重点。近些年来,人们越来越重视板带产品的组织与性能,尤其是随着各种用途钢种的开发,如HSLA(High Strength Low Alloy)钢、双相(Dual-phase)钢、IF(Interstitial-free)钢等,要求有更准确和均匀的机械性能,产品组织和机械性能的控制与改善变得日益重要。 为了满足社会需求和适应市场竞争,钢铁企业必须不断地改善产品的形状尺寸和组织性能。同时降低产品开发与生产成本,缩短开发周期。这就需要改变以往依赖于昂贵而耗时的经验性试错方法,而要借助于先进的开发工具对产品及其制造过程进行快速的设计和分析。随着计算机技术的发展,数值模拟在板带轧制领域得到了越来越广泛的应用。建立基于连续力学、传热学及物理冶金原理的板带热轧过程数学模型能够为轧制工艺设计、产品形状尺寸及组织性能控制提供更为科学有效的方法。 热轧过程中同时发生着金属变形、传热及物理冶金变化等多种现象,各种现象间相互作用、相互影响。对板带热轧过程进行准确的数值模拟需要将变形、传热和物理冶金变化严格耦合起来,这在以前的大多数研究中考虑是不够的。本文在系统调研板带热轧理论,包括变形、传热及物理冶金变化各方面研究进展的基础上,考虑钢材热轧问题的多物理过程间的相互作用及三维特征,将变形,传热与物理冶金变化计算完全耦合,开发了一个多参数耦合的板带热轧过程三维计算机模拟系统。 模拟系统主要包括三个模型,即变形模型、传热模型和组织演变模型。刚塑性有限元法已成为金属塑性变形分析的有力工具,为了建立精确的三维变形分析模型,研究采用基于Lagrange乘数法的刚塑性有限元法模拟轧件变形,同时采用影响函数法计算辊系弯曲,弹性有限元法计算辊缝中工作辊的接触压扁,并采用迭代方案将轧件塑性变形计算与辊系弹性变形计算耦合在一起。所建立的变形分析模型得到了计算验证;温度是热轧中一个极为重要的工艺参数,影响变形过程和组织演变。研究采用二维有限元法,建立了分析板带热轧过程轧件横断面温度变化的拟三维数学模型;为了便于和变形及传热分析的有限元模型相耦合,热轧中的物理冶金变化分


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