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材料复合型铸轧辊温度场和热变形的界面元方法及其仿真研究

谭怀亮  
【摘要】: 自50年代初美国Hunter-Daugla公司首先将双辊式铝带材连续铸轧机投入运行以来,铝带坯连续铸轧技术得到迅速的发展,已经成为铝加工业铝带坯的一种主要生产方式。但由于连续铸轧机的生产速度远低于理论上预期的速度,且铸轧合金品种受到限制,从八十年代末期开始,国外许多厂家和科研机构开始着手研究开发超薄规格的铝带坯高速连续铸轧机。但随着铸轧带坯的减薄,铸轧辊热变形已不能忽略,其直接影响辊缝形状,是决定板形的主要因素之一。 对于轧辊热变形理论,国内外都进行了大量的研究。但对于铸轧辊热变形理论研究很少,由于铸轧辊内部几何结构复杂且为材料不连续的复合体,其与一般的热轧辊、冷轧辊不同,主要表现在:①冷热轧辊为实心(或中心有一通孔)单一材料圆柱体,而铸轧辊为辊套与辊芯两种不同材料配合而成的复合体,存在不连续的结合面,并且辊芯内有几何结构复杂的内冷水槽;②冷热轧速度远高于铸轧速度,可忽略周向温度的变化,而将其温度场近似为轴对称的,简化为二维问题。但铸轧速度很低,周向温度实际存在较大差异,其温度场为三维非轴对称的温度场。因此铸轧辊温度场和热变形理论不能承袭传统的热轧辊或冷轧辊热变形理论。需研究一种适合铸轧工艺的传热模型及一种新的数值方法来解决象铸轧辊这样一种复合动结构的温度场和热变形。铸轧辊热变形理论的研究对于丰富和发展板形控制理论和技术、提高铸轧板形控制的精度,无疑都具有十分重要的意义。 为此,本文将进行如下几个方面的研究:①将复合结构或不连续介质弹性静力学问题的界面元思想,引入到求解复合动结构或不连续动介质温度场和热变形问题中来,从而推导出求解复合动结构温度场和热变形的界面元支配方程;②建立铸轧过程中铸轧辊三维温度场的流固耦合模型,确定铸轧辊三维温度场仿真所需的控制方程和定解条件,再依据复合动结构温度场的界面元方法对铸轧辊三维温度场进行数值求解,导出铸轧辊温度场的界面元支配方程;③对铸轧区热交换行为和外冷行为进行分析以确定铸轧辊温度场边界条件中的两个重要传热系数;④建立铸轧辊热变形仿真计算模型,确定铸轧辊的预应力场,导出不同材料的辊套与辊芯过盈配合的过盈量计算公式,研究铸轧辊热变形的界面元计算方法。 此外,本文在理论分析的基础上,开发编制出面向对象的铸轧辊温度场、热变形界面元仿真软件系统,根据科学计算可视化技术,对铸轧辊温度场的三维数据场进行可视化,使得铸轧辊温度场的变化规律能直观地显露出来。 最后对1600铝铸轧辊进行了仿真分析,获得一些有意义的结论,并对快速铸轧铸轧辊温度场和热变形进行了规律预测.现场测试证明本文建立的模型和计算方法是正确的,仿真软件设计是可靠的。


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