材料计算机数值模拟

材料计算机数值模拟结课论文姓名：谭元标学号：S11080502089学院：材料科学与工程学院专业：材料学论文题目：计算机数值模拟在材料轧制过程中的应用授课老师：杨庆祥教授计算机数值模拟在材料轧制过程中的应用谭元标（燕山大学材料科学与工程学院，河北秦皇岛，066004）摘要近年来，数值模拟仿真技术以其高效、低成本的优势在钢铁工业中得到了广泛的应用。随着计算机水平的进步和发展，国内外许多学者开始用数值模拟的方法对线材轧制的过程进行研究。有限元模拟仿真技术已经被公认为是对材料变形过程、传热过程、产品质量和轧制力学参数等进行预测和开发新产品的一种非常有效的分析工具。它具有成本低、开发周期短并能超前再现许多用物理模拟或实验难以进行的加工过程的特点。本文主要阐述了数值模拟法在轧制过程中的一些应用，包括数值模拟在摩擦力，轧制力，温度场，应力应变场等方面的应用。关键词：数值模拟；轧制；应用1.前沿材料轧制成形过程是一个同时包括几何非线性、材料非线性、边界非线性和热-力耦合等因素在内的复杂的变形过程，轧件的成形质量受到多种因素的影响，这就对成形控制带来很大困难。传统的轧制过程中，只能在提出初步设计方案的基础上,采用“试错法”经过大量的实验反复调试才能得到较为理想的产品。这样会延长产品的研制周期，增加产品成本，并造成设备的提前报废，浪费大量的人力和物力。随着现代计算机科学的发展，有限元及有限差分方法应用越越广泛，通过建立适当的有限元理论模型，描述材料固态加工及热处理的物理过程。然后，采用有限元及有限差分法对这些物理过程的温度场、应力场、应变场、微观组织场等进行精确的定量数值模拟计算。只要通过少量的实验验证理论模型及数值模拟计算的准确性，就可以利用计算机对大量的实际轧制进行准确的数值模拟。这样就实现了基于计算机数值模拟的轧制过程。通过大量的计算机数值模拟计算，可以建立轧制工艺参数与轧制后性能的定量关系。这些数值模拟计算结果可以用于优化材料轧制工艺参数。日本早在20世纪60年代起就开始对轧制过程进行仿真研究[1]。在我国近年来，数值模拟技术在中厚板轧制方面得到广泛应用，并且出现了大量的研究成果，不仅揭示轧制过程中板料内的应力、应变、温度分布规律和板料外部宏观几何形状的变化，而且能模拟辊系变形，进而达到控制板形的目的。FEM在1956年由Turner、Clought[2]等在解决飞机结构刚度问题时首次采用，Clought[3]在1960年首次采用了“有限元法”这一术语。FEM的基本思想是将连续的结构离散为有限个单元，并在每个单元中设定有限个节点，将连续体看作只是在节点处相联接的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律，作为基本未知量，并在每一单元中假设一近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律，进而利用力学中的变分原理，建立用来求解节点未知量的有限元方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题。一经求解就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数。2.数值模拟在轧制中的应用2.1数值模拟对轧制过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，一直作为塑性加工中的一个重要组成部分。随着塑性成形技术的进步，轧制工艺与技术的不断成熟和轧制在现代化生产中占据的显著地位，轧制过程中的摩擦与润滑问题显得越来越重要。在轧制过程中，轧辊与板料的摩擦力成为轧件运动的主动力，即轧制过程是以摩擦力作为驱动力，在后滑移区轧件受到沿轧制方向正向的摩擦力，在前滑移区轧件受到沿轧制方向反向的摩擦力，且前者大于后者，使得板料能够通过与轧辊之间的摩擦力的作用完成轧制过程。张清泉[4]等通过数值模拟法对中厚板轧制过程进行了模拟，分析了摩擦力对轧制过程的影响。其结果表明:摩擦力沿接触弧的变化规律比较复杂，它既不服从于简单的摩擦定律也不服从变形区内摩擦力为常值的粘着假设，它和金属的滑动是密切相关的。利用有限元模拟软件可以准确地对轧制过程进行模拟，也为深入研究中厚板轧制过程中的摩擦规律提供了工具。2.2数值模拟对温度场的研究轧制温度是中厚板轧制过程中的重要工艺参数之一，温度对轧件的塑性和变形力能参数的影响很大，而且轧制温度制度的优劣和执行情况对轧制产品的性能、厚度公差、变形抗力和板形好坏也有着极其重要的影响。一般情况下，随着温度的升高金属以及合金的屈服极限、强度极限、硬度等都会降低，因此轧制时温度的研究对于整个轧制过程的研究有着举足轻重的作用。绝大多数中厚板厂都采用红外线测温仪对板料温度进行监测，但是测温仪只能测得板料表面温度，无法测得板料的内部温度。如想利用仪器设备得到板料内部的温度，目前可使用的方法是接触测量法[5]，即在板料内部放置热电偶。热电偶使用方法的复杂性限制了其使用范围。采用数值模拟的方法可对轧制过程(包括轧前、轧中、轧后)的瞬态温度场进行模拟，因此可以更好的了解轧制过程中温度场的变化，从而控制轧制过程。朱启建[6]利用有限元分析软件ANSYS对中厚板轧后的控制冷却进行了研究，模拟冷却过程中的瞬态温度场的变化情况，并开发出多种优化控冷模型。通过数值模拟法，不仅可以得到各种冷却条件下钢板的温度状况，而且还可以根据各种预期目标板终冷温度、钢板冷却速度或过程温度、板形平直度等)，对冷却供水集管组数的开关、上下集管出水量比和流量的调节，使冷却过程达到虽优化。研究成功应用于中厚板生产，在控制冷却方面为新品种、新工艺开发提供了重要技术支持。周维海[7]等采用塑性大变形藕合有限元法研究了板带热轧过程，应用有限元软件ARC的二次开发技术建立了板带轧制模型，重点分析了轧制过程和变形区中轧件的温度分布和温度变化过程。许杨中[8]等采用数值模拟法对轧件热轧结束瞬间轧件表面温度场进行了模拟，其结果表明：轧制结束瞬间，棒材从表面到心部温度逐渐升高。沿着轧制方向，表面温度呈下降趋。2.3数值模拟对应力应变场的研究材料在轧制过程中，不同变形条件下轧件各个部位、任何时刻应力应变的分布及变化都不相同[9]，不同部位的应力应变不同，最终导致材料的力学性不均匀，因此，研究轧制过程中。轧件各个部位的应力应变具有重要意义。通过实验研究轧件各个部位的应力应变的分布情况非常困难。数值模拟法为计算轧件各个部位的应力应变的分布提供了一种非常方便且有效的方法。利用数值模拟法可以得到不同道次、不同变形条件下轧件各个部位、任何时刻的应力应变的分布变化，通过应力应变的计算结果可以判断轧件各个部位的变形状态机受力状态，用对孔型及工艺设计提供参考。刘立忠[10]等采用大型有限元分析软件ANSYS／LS—DYNA建立轧制模型，分析了显式动力学弹塑洼有限元法的计算过程，并对中厚板轧制过程进行了模拟计算，对应力应变的分布进行了研究。通过模拟计算，得出了包括咬入、稳定轧制和抛钢三个阶段的整个轧制过程的应力应变场，验证了采用显式动力学有限元法埘轧制过程进行模拟分析是可行的。2.4数值模拟对轧制力的研究轧制力是轧制过程中最敏感最重要的参数，也是生产现场最关心的参数之一，如果轧制力估算过低，就不能充分发挥轧机的生产潜力，如果估算过高，则有可能造成轧机部件的破坏。轧制力的准确计算对尺寸公差和板形的控制也有重要意义。显式动力学有限元法在板带轧制模拟中得以应用后，针对轧制力的研究成果开始大量涌现。最早把显式动力学有限元法应用于轧制过程模拟研究的是B．K．Chen[11]等，他们用这一方法模拟了平面应变板带轧制过程，分析了轧制压力分布与轧件金属流动特征。LarsErik、Lindgren[12]等分别采用显式动力学有限元法和隐式静态有限元法建立的二维模分析了板带轧制过程，经对照得出结论：在计算速度上前者快于后者，但由于显式动力学有限元法精度相对较低，当时没有引起人们的足够重视。近年来，随着显式动力学有限元法的进一步发展，它在板料成形及碰撞冲击领域得到更为广泛的应用。谢红飙[13-16]等用显式动力学有限元法分析了板料宽度、压下率对板带轧制力分靠的影响；张国民[17]等模拟了三维弹塑性板带轧制过程，分析了板带轧制力的分布。胡水平[18]等对热轧变形区的轧件进行了受力分析，得到了轧制压力的理论解。孙登月[19]等采用微分单元法并考虑了轧辊和轧件的弹性变形，导出了冷轧生产中的轧制压力模型。刘玉鹏[20]对线材轧制过程中轧制力研究，其结果表明：开始轧制时，轧件在摩擦力的驱动下轧件逐渐咬入孔型中，随着压下量的增加，轧制力随时间步长的增加而显著升高，此过程为非稳态轧制过程，轧制力发生突变。随着时间步长进一步增加，轧制力开始达到一定值后不再随步长的增加而发生显著变化，轧制力与轧制力矩在一个很小的范围内波动，轧件充满辊缝，轧制由非稳态进入稳态过程。此后，随着时间增量步长的增加，轧制力开始减小，轧件即将脱离轧辊，轧制开始由稳态阶段进入非稳态轧制阶段，当轧件开始在下一道次咬入时，轧制力与轧制力矩又随着时间增量不的增加发生急剧上升，重复先前的变化规律。3.结束语材料轧制成形过程是一个同时包括几何非线性、材料非线性、边界非线性和热-力耦合等因素在内的复杂的变形过程。摩擦力，轧制温度，轧制力，轧制过程中应力应变对材料轧制之后的性能有重要的影响。通过实验研究的方法来研究这些因素对轧制的影响非常困难。随着现代计算机科学的发展，有限元及有限差分方法应用越越广泛，通过建立适当的有限元理论模型，可以非常容易的描述温度场、应力场、应变场、微观组织场等对轧制过程的影响。只要通过少量的实验验证理论模型及数值模拟计算的准确性，就可以利用计算机对大量的实际材料轧制过程进行准确的数值模拟。这些数值模拟计算结果可以用于轧制工艺参数的制定。这样大大降低产品成本，延长了设备的报废时间，节约大量的人力和物力。[1]周旭东,刘香茹.热连轧过程直接法动态仿真[J].河南科技大学学报,2003,24(2):13-15.[2]M.J.Turner.R.W.Cloughetal.J.Aero,sci.1956,23:805-824.[3]R.W.C1ough.TheFiniteElementMethodinPlane-StressAnalysis.Proc.2ndAsce.Conf.OnElectronicComputation.Pittsburgh.Pa.Sopt.1960:345-349.[4]张清泉,刘勇谋,姚进.中厚板轧制过程的数值模拟分析[J].钢铁钒钛,2004,25(3):10-16.[5]陈祥永.板带热轧过程计算机模拟与实验研究[D].北京:中国科学院金属研究所,2000.[6]朱启建.中厚板高密度管层流冷却与板形控制技术研究[D].北京:清华大学,2004.[7]周维海,臧新良,杜风山,等.板带热轧过程中温度场的三维热力耦合有限元模拟[J].钢铁研究学报,2001,13(3):24-26.[8]许杨中.数值模拟在棒材热轧过程及缺陷预测中的应用[J].浙江工业大学学报,2011,39(3):308-311.[9]康永林,朱国明.大型H型钢轧制过程数值模拟及应用[J].山东冶金.2009,31(5):1-5.[10]刘立忠,刘向华等.平板轧制咬入阶段非稳定变形的有限元模拟[J].塑性工程学报,200l,8(3):67-70.[11]BKChen,SKChoi,PFThomson．Analysisofplanestrainrollingbydynamicrelaxationmethod.Int.J.Mech．Sci.1989,31(1):839-851.[12]LarsErikLindgren.JonasEdberg．Explicitversusimplicitfiniteelementformulationinsimulationofrolling,JournalofMaterialProcessingTechnology,1990,24:85-94.[13]谢红飙，肖宏等.显式动力学有限元法分析板宽对板带轧制压力分布的影响[J].塑性工程学报,2003,10(1