CN110852007B - 一种考虑不均匀变形热的大方坯轧制温度场计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种考虑不均匀变形热的大方坯轧制温度场计算方法，属于钢铁冶金技术领域。该方法首先使用三维结构有限元方法建立大方坯单道次轧制计算模型；然后进行轧制过程应力与应变场的输出；最后使用二维温度有限差分方法建立大方坯单道次轧制温度场计算模型。棒线材轧制温度预测模型一般假设变形热均匀分布在整个断面上，没有考虑不均匀变形热对轧制温度场的影响，与之相比采用这种考虑不均匀变形热的温度场计算方法，更符合大方坯轧制时变形不均匀分布的实际情况，可以提高模型精度。与建立完全三维热力耦合模型相比，采用间接耦合的方式可以减少建模规模，缩短计算时间，省时高效。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁冶金技术领域，特别是指一种考虑不均匀变形热的大方坯轧制温度场计算方法。
背景技术
为了改善偏析对高碳钢线材产品的影响，现在很多特钢企业采用大方坯两火成材工艺，利用九机架连轧机组对大断面方坯进行大变形量的轧制，轧成小方坯后，再利用高速线材机组轧制成成品。在大断面方坯轧制过程中，由于采用箱方孔型且道次变形量大，轧件内部沿厚度方向和宽度方向的应力、应变分布非常不均匀。轧制变形热是轧制过程中塑性功转化而来，塑性功是轧件内应力和应变在变形区内的积分，应力应变分布不均匀将直接导致轧制过程中变形热分布不均匀。但是棒线材轧制温度预测模型一般假设变形热均匀分布在整个断面上，没有考虑不均匀变形热对轧制温度场的影响，对计算结果带来了误差。
也有研究人员采用热力耦合有限元方法，建立轧制过程变形-温度完全耦合的有限元模型进行计算，可以考虑不均匀变形导致的变形热的不均匀分布，但是由于采用了热力耦合单元，与单纯进行变形计算的结构单元相比，增加了一个温度自由度，导致计算量大，计算时间长。
发明内容
本发明提供一种考虑不均匀变形热的大方坯轧制温度场计算方法，通过二维有限差分与三维有限单元方法进行间接耦合计算，利用三维结构有限元法计算获得的轧件在轧制过程中的应力和应变场，通过数据文件传递给二维有限差分温度场计算模型，获得轧件横截面不同位置的不同变形热。
该计算方法包括步骤如下：
S1：使用三维结构有限元方法建立大方坯单道次轧制计算模型：
S11：根据轧件和轧辊的几何尺寸建立大方坯单道次轧制三维几何模型；
S12：对S11中建立的几何模型进行单元划分，先选择单元类型，其中，轧件选择8节点六面体单元，轧辊选择四边形壳单元，然后根据计算需要对几何模型的每个边确定网格划分的数量，对轧件和轧辊分别进行单元划分；
S13：在轧件上施加初始速度，在轧辊上施加旋转速度载荷，并确保轧件和轧辊直接接触:；
S14：设定计算时间和时间步长，进行大方坯轧制变形的有限元求解，并保存计算结果；
S2：轧制过程应力与应变场的输出：
S21：选取轧件长度方向1/2处的横截面作为轧件代表截面，获取代表截面处每个节点的节点号和节点位置坐标；
S22：获得轧件代表截面进入轧制区和离开轧制区的时刻，将轧制区内的纯轧制时间分为10等分，获取轧件代表截面上每个节点在纯轧区内10个时刻的等效应力值、等效应变值，并保存数据文件；
S3：使用二维温度有限差分方法建立大方坯单道次轧制温度场计算模型：
S31：根据轧件钢种获取相应的热物性参数值，包括导热系数K和比热容C；
S32：根据轧件轧前的几何尺寸进行二维的空间离散；
S33：确定轧件轧前的时间、纯轧制时间、轧后的时间；
S34：对轧件赋初始温度；
S35：进行温度场的差分迭代计算，每一时间步都根据时间进行判断，是否进入轧制区，如果未进入轧制区，则根据轧机间空冷的情况计算热边界条件，然后进行温度场差分计算；如果进入轧制区，则轧件与轧辊接触的位置按照接触热传导计算热边界条件，轧件不与轧辊接触的位置按照空冷情况计算热边界条件；
S36：读取S14保存的有限元计算结果文件，根据S22中保存数据获得轧件横截面上各点在轧制时的等效应力和等效应变，计算轧制变形热；
S37：结合S31中确定的参数值，进行温度场的二维差分求解。
其中，S11中在建立大方坯单道次轧制三维几何模型时，定义轧件和轧辊的材料，其中，轧件为塑性材料，采用塑性材料高温变形抗力实验的实测值作为材料应力应变数据输入，轧辊定义为刚性体。
S36中轧制变形热的计算公式如下：
其中：q为轧制变形热；η为功热转化率，取90％；t为变形时间，即轧件在变形区内的纯轧时间；σ为等效应力；ε为等效应变。
S1和S3中根据轧辊与轧件几何形状与载荷的对称性，建立四分之一模型。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，通过将三维结构有限元法与二维温度有限差分法结合起来，采用间接耦合的方法建立的大方坯轧制温度场计算模型，考虑了由于变形不均匀性带来的变形热分布的不均匀性，不仅精度高，而且降低了建模的复杂性和计算量，可以利用此模型高效的预测大方坯轧制时整个断面上的温度分布。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种考虑不均匀变形热的大方坯轧制温度场计算方法。
该方法包括步骤如下：
S1：使用三维结构有限元方法建立大方坯单道次轧制计算模型：
S11：根据轧件和轧辊的几何尺寸建立大方坯单道次轧制三维几何模型；
S12：对S11中建立的几何模型进行单元划分，先选择单元类型，其中，轧件选择8节点六面体单元，轧辊选择四边形壳单元，然后根据计算需要对几何模型的每个边确定网格划分的数量，对轧件和轧辊分别进行单元划分；
S13：在轧件上施加初始速度，在轧辊上施加旋转速度载荷，并确保轧件和轧辊直接接触:；
S14：设定计算时间和时间步长，进行大方坯轧制变形的有限元求解，并保存计算结果；
S2：轧制过程应力与应变场的输出：
S21：选取轧件长度方向1/2处的横截面作为轧件代表截面，获取代表截面处每个节点的节点号和节点位置坐标；
S22：获得轧件代表截面进入轧制区和离开轧制区的时刻，将轧制区内的纯轧制时间分为10等分，获取轧件代表截面上每个节点在纯轧区内10个时刻的等效应力值、等效应变值，并保存数据文件；
S3：使用二维温度有限差分方法建立大方坯单道次轧制温度场计算模型：
S31：根据轧件钢种获取相应的热物性参数值，包括导热系数K和比热容C；
S32：根据轧件轧前的几何尺寸进行二维的空间离散；
S33：确定轧件轧前的时间、纯轧制时间、轧后的时间；
S34：对轧件赋初始温度；
S35：进行温度场的差分迭代计算，每一时间步都根据时间进行判断，是否进入轧制区，如果未进入轧制区，则根据轧机间空冷的情况计算热边界条件，然后进行温度场差分计算；如果进入轧制区，则轧件与轧辊接触的位置按照接触热传导计算热边界条件，轧件不与轧辊接触的位置按照空冷情况计算热边界条件；
S36：读取S14保存的有限元计算结果文件，根据S22中保存数据获得轧件横截面上各点在轧制时的等效应力和等效应变，计算轧制变形热；
S37：进行温度场的二维差分求解。
下面结合具体实施例予以说明。
一、使用三维结构有限元方法建立大方坯单道次轧制计算模型
1、这里采用的是ANSYS有限元软件，首先根据轧件和轧辊的几何尺寸建立大方坯单道次轧制三维几何模型，其中轧件宽392mm，轧件高280mm，轧件圆角半径24mm，轧件长度500mm，轧辊的孔型为箱方孔型，槽口宽度366.5mm、槽底宽度340mm、孔型深度60.1mm，内圆弧半径30mm、外圆弧半径20mm，轧辊直径900mm，定义轧件和轧辊的材料，其中轧件材料为87B，定义为塑性材料，采用该钢种高温变形抗力实验的实测值作为材料应力应变数据输入，轧辊定义为刚性体；
2、对几何模型进行单元划分，先选择单元类型，其中轧件选择8节点六面体单元，轧辊选择四边形壳单元，然后根据计算需要对几何模型的每个边确定网格划分的数量，对轧件和轧辊分别进行单元划分；
3、在轧件上施加一定的初始速度，在轧辊上施加旋转速度载荷，角速度为0.38rad/s，并确定轧件和轧辊直接的接触。
4、设定计算时间和时间步长，进行大方坯轧制变形的有限元求解，并保存计算结果。
二、轧制过程应力与应变场的输出
1、使用ASEL命令选取轧件长度方向1/2处的横截面作为轧件代表截面，使用NSEL命令选取代表截面处所有节点，使用*GET命令获取选中节点的节点号和节点位置坐标；
2、获得轧件代表截面进入轧制区和离开轧制区的时刻，将轧制区内的纯轧制时间分为10等分，获取轧件代表截面上每个节点在纯轧区内10个时刻的等效应力值、等效应变值，并保存入数据文件。
三、使用二维温度有限差分方法建立大方坯单道次轧制温度场计算模型
1、采用C语言编写有限差分程序，首先根据轧件钢种获取相应的热物性参数值，包括导热系数K，比热容C；
2、根据轧件轧前的几何尺寸进行二维的空间离散；
3、确定轧件轧前的时间、纯轧制时间、轧后的时间，根据现有公式，轧前时间和轧后时间是轧机间的间距除以轧制速度，纯轧时间是轧制区长度除以轧制速度，轧制区长度的计算是根据轧辊直径和道次压下量计算；
4、对轧件赋初始温度，初始温度为1050℃；
5、进行温度场的差分迭代计算，每一时间步都根据时间进行判断，是否进入轧制区。如果未进入轧制区，则根据轧机间空冷的情况计算热边界条件，然后进行温度场差分计算；如果进入轧制区，则轧件与轧辊接触的位置按照接触热传导计算热边界条件，轧件不与轧辊接触的位置按照空冷情况计算热边界条件。
6、读取上一步保存的有限元计算结果文件，获得轧件横截面上各点在轧制时的等效应力和等效应变。轧制变形热的计算公式如下，变形热等于变形功乘以功热转化率再除以变形时间，这里功热转化率取90％，变形功按照每个节点的等效应力与等效应变积分进行计算，t为变形时间，即轧件在变形区内的纯轧时间。变形热以内热源的方式施加到传热模型中。
7、进行温度场的二维差分求解。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种考虑不均匀变形热的大方坯轧制温度场计算方法，其特征在于：包括步骤如下：
S1：使用三维结构有限元方法建立大方坯单道次轧制计算模型：
S11：根据轧件和轧辊的几何尺寸建立大方坯单道次轧制三维几何模型；
S12：对S11中建立的几何模型进行单元划分，先选择单元类型，其中，轧件选择8节点六面体单元，轧辊选择四边形壳单元，然后根据计算需要对几何模型的每个边确定网格划分的数量，对轧件和轧辊分别进行单元划分；
S13：在轧件上施加初始速度，在轧辊上施加旋转速度载荷，并确保轧件和轧辊直接接触:；
S14：设定计算时间和时间步长，进行大方坯轧制变形的有限元求解，并保存计算结果；
S2：轧制过程应力与应变场的输出：
S21：选取轧件长度方向1/2处的横截面作为轧件代表截面，获取代表截面处每个节点的节点号和节点位置坐标；
S22：获得轧件代表截面进入轧制区和离开轧制区的时刻，将轧制区内的纯轧制时间分为10等分，获取轧件代表截面上每个节点在纯轧区内10个时刻的等效应力值、等效应变值，并保存数据文件；
S3：使用二维温度有限差分方法建立大方坯单道次轧制温度场计算模型：
S31：根据轧件钢种获取相应的热物性参数值，包括导热系数K和比热容C；
S32：根据轧件轧前的几何尺寸进行二维的空间离散；
S33：确定轧件轧前的时间、纯轧制时间、轧后的时间；
S34：对轧件赋初始温度；
S35：进行温度场的差分迭代计算，每一时间步都根据时间进行判断，是否进入轧制区，如果未进入轧制区，则根据轧机间空冷的情况计算热边界条件，然后进行温度场差分计算；如果进入轧制区，则轧件与轧辊接触的位置按照接触热传导计算热边界条件，轧件不与轧辊接触的位置按照空冷情况计算热边界条件；
S36：读取S14保存的有限元计算结果文件，根据S22中保存数据获得轧件横截面上各点在轧制时的等效应力和等效应变，计算轧制变形热；
S37：结合S31中参数值，进行温度场的二维差分求解。
2.根据权利要求1所述的考虑不均匀变形热的大方坯轧制温度场计算方法，其特征在于：所述S11中在建立大方坯单道次轧制三维几何模型时，定义轧件和轧辊的材料，其中，轧件为塑性材料，采用塑性材料高温变形抗力实验的实测值作为材料应力应变数据输入，轧辊定义为刚性体。
3.根据权利要求1所述的考虑不均匀变形热的大方坯轧制温度场计算方法，其特征在于：所述S36中轧制变形热的计算公式如下：
4.根据权利要求1所述的考虑不均匀变形热的大方坯轧制温度场计算方法，其特征在于：所述S1和S3中根据轧辊与轧件几何形状与载荷的对称性，建立四分之一模型。
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