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)濟和實用性的材料。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和溫度分布非常不均勻,同時其復(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)變率和流動應(yīng)力的相互影響,進一步影響了H型鋼變形后金屬的微觀組織及其力學(xué)性能。許多人對H型鋼的軋制過程進行了仿真分析,其中,奚鐵等、曹杰等借助有限元分析軟件SuperForm對H型鋼開坯軋制及萬能軋制過程進行了模擬;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,研究了金屬流動規(guī)律;徐旭東等利用有限元分析方法對H型鋼軋制及軋后冷卻過程進行了二維溫度場的模擬,同時采用顯式動力學(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。本文針對某規(guī)格H型鋼產(chǎn)品的多道次往復(fù)開坯軋制進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的分布情況,為進一步深入研究H型鋼的軋制過程提供參考依據(jù)。1壓延工藝、模擬方案和計算方法1.1工藝流程簡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,箱型孔一個,BD(開坯)軋機軋輥及軋件簡圖見圖2,軋制規(guī)程見表1。1.2開坯軋件仿真模型計算過程中為縮短求解時間而減少了單元量,根據(jù)H型鋼的對稱性進行模型的1/4簡化,同時在軋件長度方向進行相應(yīng)的簡化處理,即縮短軋件長度至滿足穩(wěn)定軋制階段的要求,本文軋件長度定為600mm,模型的簡化及網(wǎng)格見圖3。這樣,仿真分析的時間設(shè)定需要進行相應(yīng)的調(diào)整,本文按照如下原則設(shè)定求解時間:①各道次軋制過程仿真分析設(shè)定的物理時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間為前后兩道次實際軋制時間之和的1/2減去軋制過程仿真分析設(shè)定的物理時間,再加上實際間隙時間。軋件采用八節(jié)點六面體單元進行離散,軋輥采用四邊形單元進行離散,仿真模型信息見表2。通過一次性仿真較難實現(xiàn)對多道次往復(fù)軋制的分析,且開坯軋制時間較長,預(yù)想一次性完成整個軋制過程的仿真分析,求解時間無法忍受。在此,筆者根據(jù)軋制規(guī)程表將整個開坯過程按照軋制道次分成多個計算模塊,在整個計算過程中,每一個計算模塊的求解結(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軋機前可分為三個模塊,即出加熱爐至除鱗、高壓水除鱗、除鱗后至BD軋機前。開坯軋制部分的計算模塊見表3。本文采用熱力耦合分析方法進行仿真,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)除鱗后進入BD軋機,完成7道次往復(fù)開坯軋制。在此計算過程中,假設(shè)除鱗時間為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流,在此選擇軋件模型的表面進行相關(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方向為軋制方向,Y方向為壓下方向。1.3耦合時間增量的計算在軋制過程熱力耦合仿真分析中,采用顯式時間積分算法進行結(jié)構(gòu)計算,采用隱式時間積分算法進行溫度計算。由于隱式算法是無條件穩(wěn)定的,在一個耦合的時間增量Δt內(nèi),根據(jù)溫度計算的時間步長可以較根據(jù)結(jié)構(gòu)計算的時間步長更大,這樣,在時間增量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)過若干耦合時間增量的計算之后,得到該道次最終的計算結(jié)果。熱力耦合計算流程見圖4。2模擬結(jié)果和分析2.1制階段仿真結(jié)果由于計算模塊較多,在此提取BD4R、BD7R兩個計算模塊穩(wěn)定軋制階段的仿真結(jié)果,如圖5、圖6所示。可以看出:在開坯軋制過程中,腹板部位出現(xiàn)了“舌頭”現(xiàn)象,同時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,主要是因為這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;同時通過圖8b可看出翼緣中心外側(cè)溫度相對較高。2.3軋件各部位的溫度變化為深入研究整個開坯軋制過程中軋件各部位溫度的變化規(guī)律,筆者沿軋件長度方向提取中間截面上的關(guān)鍵點(圖9)進行溫度跟蹤分析,提取溫度仿真結(jié)果,將各點溫度隨時間的變化作曲線,如圖10所示。通過對關(guān)鍵點溫度變化進行跟蹤,可以看出:軋件各部位關(guān)鍵點的溫度隨軋制過程時間的增加均呈現(xiàn)下降的趨勢;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)鍵點的溫度急劇下降;而軋件心部關(guān)鍵點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)鍵點在開坯過程的某幾個道次出現(xiàn)溫度升高的現(xiàn)象,這是因為該部位相對厚度大,散熱困難,同時變形劇烈。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)果對比分析利用熱像儀對生產(chǎn)過程中的軋件溫度(包括各開坯道次的入口與出口溫度)進行現(xiàn)場測量。開坯軋制最后道次出口后的溫度測試結(jié)果如圖11所示,圖中SP01～SP05表示點的編號。為便于將計算結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果進行對比,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),提取對應(yīng)溫度,同時提取最后道次沿軋件長度方向中間部位表面的節(jié)點的溫度仿真結(jié)果,按照相應(yīng)的坐標(biāo)位置進行對稱后作曲線,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為接觸熱傳導(dǎo)的原因,在接觸時間內(nèi)劇烈