CN112906274A - 用于包壳材料退火仿真的可视化界面及方法 - Google Patents

用于包壳材料退火仿真的可视化界面及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于包壳材料退火仿真的可视化界面及方法，可视化界面包括轧制模拟模块、温度场模拟模块和残余应力模拟模块；轧制模拟模块的显示页面设置有模型计算按钮，当点击模型计算按钮后，调用有限元软件计算并获得初始残余应力；温度场模拟模块的显示页面设置有参数输入框、建模计算按钮，当点击建模计算按钮后，调用有限元软件内置有限元求解器进行计算并获得包壳材料退火过程温度场分布；残余应力模拟模块的显示页面设置有模型计算按钮，当点击模型计算按钮后，调用有限元软件计算并获得退火过程残余应力场。本发明能够用于包壳材料退火仿真，能够简化仿真分析在退火过程应用的难度、优化板材退火仿真的过程，以及提升仿真模拟的效率。

Description

用于包壳材料退火仿真的可视化界面及方法
技术领域
本发明涉及金属热处理技术领域，具体涉及用于包壳材料退火仿真的可视化界面及方法。
背景技术
包壳板材在成型过程中往往会受到轧制、冲压、滚压等工艺的影响，成型过程的塑性变形行为会对结构件的疲劳强度、尺寸稳定性、抗应力腐蚀能力等性能有着不良的影响。开展包壳材料退火进而提升板材力学性能是现阶段常用的方法。
包壳板材在退火过程中往往以批量为单位，同时退火过程为典型的黑箱操作，无法实时监控板材温度、残余应力等参数的变化。由于以上难点，包壳材料退火仿真技术应运而生。
退火仿真过程需要完成几何建模、边界条件、求解方法、结果后处理的设置，有着时间周期长、计算量大、效率低的特点。
因此，为优化包壳材料退火仿真、提升效率，有必要开发出一种简化建模、材料参数的设定、固化退火过程非变量条件、直接调用商业有限元求解器、自动获取后处理曲线与图片的可视化界面。
发明内容
本发明的目的在于提供用于包壳材料退火仿真的可视化界面及方法，用于包壳材料退火仿真，能够简化仿真分析在退火过程应用的难度、优化板材退火仿真的过程，以及提升仿真模拟的效率。
本发明通过下述技术方案实现：
用于包壳材料退火仿真的可视化界面，包括轧制模拟模块、温度场模拟模块和残余应力模拟模块，所述轧制模拟模块、温度场模拟模块和残余应力模拟模块均通过Python软件调用有限元软件；
所述轧制模拟模块的显示页面设置有模型计算按钮，当点击模型计算按钮后，调用有限元软件计算并获得初始残余应力，并将初始残余应力导入残余应力模拟模块；
所述温度场模拟模块的显示页面设置有参数输入框、建模计算按钮，当点击建模计算按钮后，调用有限元软件内置有限元求解器进行计算并获得包壳材料退火过程温度场分布，并将初始温度场导入残余应力模拟模块；
所述残余应力模拟模块的显示页面设置有模型计算按钮，当点击模型计算按钮后，调用有限元软件内置残余应力计算代码，计算并获得退火过程残余应力场。
本发明利用可视化界面技术优化了包壳材料退火仿真过程，完成了轧制模拟、温度场模拟和残余应力模拟三大模块的整合计算，简洁快速得到退火过程初始残余应力场云图及曲线、退火过程温度场云图及曲线、退火过程残余应力云图及曲线，不仅避免了由主观设计带来的计算结果不统一，也降低了有限元分析软件在包壳材料退火过程应用的难度。
采用本发明所述可视化界面用于包壳材料退火仿真，操作过程简单，简化了仿真分析在退火过程应用的难度、优化包壳材料退火仿真的过程、提升仿真模拟的效率。
本发明适用于快速分析包壳材料退火过程温度场、残余应力场。
进一步地，所述轧制模拟模块的显示页面包括图形显示框、程序计算显示框、模型计算按钮、打印图片按钮、第一张按钮、最后一张按钮、上一张按钮和下一张按钮。
进一步地，温度场模拟模块的显示页面包括参数输入框、图形显示框、程序计算显示框、建模计算按钮、打印图片按钮、第一张按钮、最后一张按钮、上一张按钮和下一张按钮。
进一步地，残余应力模拟模块的显示页面图形显示框、程序计算显示框、模型计算按钮、打印图片按钮、第一张按钮、最后一张按钮、上一张按钮和下一张按钮。
进一步地，参数输入框包括温度输入框和时间输入框。
进一步地，有限元软件内存储有退火仿真用的几何模型和材料参数。
可视化界面的构建方法，包括以下步骤：
步骤1、建立可视化界面：利用Python建立可视化界面与有限元软件的接口；
步骤2、在可视化界面中建立页面，所述页面包括轧制模拟模块、温度场模拟模块和残余应力模拟模块。
进一步地，通过Microsoft Visual Studio软件构建Visual C#语言环境，利用Windows Forms Application开发出包壳材料退火过程模拟可视化界面。
基于可视化界面的包壳材料退火仿真方法，包括以下步骤：
S1、点击可视化界面上的轧制模拟模块按钮进入轧制模拟页面，点击页面中的模型计算按钮，用有限元软件计算并获得初始残余应力，并将初始残余应力导入残余应力模拟模块；
S2、点击可视化界面上的温度场模拟模块按钮进入温度场模拟页面，在参数输入框输入相应参数后，点击建模计算按钮后，调用有限元软件内置有限元求解器进行计算并获得包壳材料退火过程温度场分布，并将初始温度场导入残余应力模拟模块；
S3、点击可视化界面上的残余应力模拟模块按钮进入残余应力模拟页面，调用有限元软件内置残余应力计算代码，结合步骤S1和S2获得的初始残余应力和初始温度场，计算并获得退火过程残余应力场。
进一步地，轧制模拟页面、温度场模拟页面和残余应力模拟页面均设置有打印图片按钮，通过点击打印图片按钮获得云图显示。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明通过合理的界面设计，使包壳材料退火过程所需的轧制、温度场、应力场模拟模块整合至一体，为多模块的界面整合提供了一种思路。
2、应用本发明进行计算时，只需在可视化界面中输入退火过程可以调整的温度、时间参数，再通过简单的操作即可生成所需的包壳材料退火过程温度场、残余应力场的计算结果，从而避免了由主观设计带来的计算结果不统一，保证了非变量参数的绝对一致性。
3、应用本发明进行计算时，可以显著提升操作人员计算效率和对工程工作的快速响应能力，同时也降低了有限元分析软件在包壳材料退火过程应用的难度，使一般人群也能使用。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的流程框图；
图2为轧制模拟模块可视化界面图；
图3为温度场模拟模块可视化界面图；
图4为残余应力模拟模块可视化界面图；
图5为实施例1锆合金轧制模拟结果显示图；
图6为实施例1锆合金温度场模拟结果显示图；
图7为实施例1锆合金残余应力模拟结果显示图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，用于包壳材料退火仿真的可视化界面，包括轧制模拟模块、温度场模拟模块和残余应力模拟模块，所述轧制模拟模块、温度场模拟模块和残余应力模拟模块均通过Python软件调用有限元软件；
所述轧制模拟模块的显示页面设置有模型计算按钮，当点击模型计算按钮后，调用有限元软件计算并获得初始残余应力，并将初始残余应力导入残余应力模拟模块；
所述温度场模拟模块的显示页面设置有参数输入框、建模计算按钮，当点击建模计算按钮后，调用有限元软件内置有限元求解器进行计算并获得包壳材料退火过程温度场分布，并将初始温度场导入残余应力模拟模块；
所述残余应力模拟模块的显示页面设置有模型计算按钮，当点击模型计算按钮后，调用有限元软件内置残余应力计算代码，计算并获得退火过程残余应力场。
具体地，所述轧制模拟模块的显示页面包括图形显示框、程序计算显示框、模型计算按钮、打印图片按钮、第一张按钮、最后一张按钮、上一张按钮和下一张按钮。
具体地，所述温度场模拟模块的显示页面包括参数输入框、图形显示框、程序计算显示框、建模计算按钮、打印图片按钮、第一张按钮、最后一张按钮、上一张按钮和下一张按钮。
具体地，所述残余应力模拟模块的显示页面图形显示框、程序计算显示框、模型计算按钮、打印图片按钮、第一张按钮、最后一张按钮、上一张按钮和下一张按钮。
具体地，所述参数输入框包括温度输入框和时间输入框。
具体地，所述有限元软件内存储有退火仿真用的几何模型和材料参数。
本实施例所述可视化界面的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、建立可视化界面：利用Python建立可视化界面与有限元软件的接口：通过Microsoft Visual Studio软件构建Visual C#语言环境，利用Windows FormsApplication开发出包壳材料退火过程模拟可视化界面；其中可视化界面需要包括三个模块，分别为轧制模拟模块、温度场模拟模块和残余应力模拟模块。每一个模块均通过Python软件调用有限元软件GUI模块，进一步开发出界面与前置三维模型和前置边界条件的接口；
步骤2、在可视化界面中建立页面，所述页面包括轧制模拟模块、温度场模拟模块和残余应力模拟模块，其中，利用Windows Forms Application的DataGridViewTextBoxColumn模块在包壳材料退火过程模拟可视化界面上进行变量输入界面设计；主要通过参数表格化的方式输入温度-时间变量，并确定整个过程的程序时间步数。
基于可视化界面的包壳材料退火仿真方法，包括以下步骤：
S1、点击可视化界面上的轧制模拟模块按钮进入轧制模拟页面，点击页面中的模型计算按钮，用有限元软件计算并获得初始残余应力，并将初始残余应力导入残余应力模拟模块，具体地，点击模型计算，可以自动调用python命令脚本Run_Roll.py，进而自动运行内置的Roll.cae。程序框右下角会显示仿真计算进程，运算结束后，右下角程序框会显示出COMPLETED作为提示，如附图2所示；
S2、点击可视化界面上的温度场模拟模块按钮进入温度场模拟页面，在参数输入框输入相应参数后，点击建模计算按钮后，调用有限元软件内置有限元求解器进行计算并获得包壳材料退火过程温度场分布，并将初始温度场导入残余应力模拟模块，具体的，点击模型计算，程序框右下角会显示仿真计算进程，运算结束后，右下角程序框会显示出COMPLETED作为提示，如附图3所示；
S3、点击可视化界面上的残余应力模拟模块按钮进入残余应力模拟页面，调用有限元软件内置残余应力计算代码，结合步骤S1和S2获得的初始残余应力和初始温度场，计算并获得退火过程残余应力场，具体地：
进入开发后的包壳材料退火过程模拟可视化界面残余应力模拟模块后，自动导入轧制仿真过程的结果文件(包括模型、应力场状态)，自动调用python命令脚本Run_Stress.py，并进一步调用温度场仿真输出的温度场条件ASCII码文件Amp-Stress，点击模型计算，程序框右下角会显示仿真计算进程，运算结束后，右下角程序框会显示出COMPLETED作为提示，如附图4所示；
S3、云图显示：计算完毕后分别在轧制模拟模块、温度场模拟模块和残余应力模拟模块界面中点击点击打印图片，开始输出云图，其调用的脚本为同目录下的Print_Roll.py、Print_Temp.py、Print_Stress.py。云图若看不清楚，可以选右上角的最大化按钮将程序最大化，或者是可以进入Model文件夹的模块内，其中有Picture文件夹，生成的原图在此目录内，可以直接查看原图
本实施例以锆合金包壳材料退火过程模拟应用对本发明进行说明：
(1)在有限元软件中完成前置三维模型与前置边界条件的定义。主要包括其中的工件Zr-4合金与辅助材料0Cr25Ni20不锈钢的材料属性(密度、弹性模量、塑性变形参数、高温蠕变规律、热膨胀系数、热导率、比热容等)、工件与辅助材料的三维模型尺寸(板材模型尺寸为1500mm×100mm×2mm、工装夹具模型尺寸为2000mm×150mm×400mm、热处理炉模型尺寸为Φ800mm×2000mm、轧辊尺寸为Φ200mm×200mm)
(2)开展轧制过程模拟，为包壳材料退火过程提供可靠的初始残余应力。直接在轧制过程模拟模块中点击模型计算，会看到程序框右下角会显示有限元仿真计算进程，待计算完成后，点击打印图片，开始输出云图(输出云图后先点第一张，才会在程序框内显示云图)，云图若看不清楚，可以选右上角的最大化按钮将程序最大化，结果如附图5所示。
(3)开展温度场模拟，得到包壳材料退火过程温度场分布，同时为包壳材料退火过程残余应力模拟提供可靠的初始温度场。温度场部分需要先输入必要的模拟参数，T2、T3、T4代表的是时间参数，step为程序时间步数，A2、A3、A4则为温度参数。整个过程分为加热，保温，降温过程。程序本身固定了初始时刻，即0时刻，22摄氏度的参数，所以只填写之后的部分，图6中，在时间步为10800时，温度达到580摄氏度，保温至时间步27000，之后为降温阶段，在时间步为37500时，降温至120摄氏度，程序的时间步与最终降温时刻保持一致。参数设置好后，点击建模计算，开始模拟，待计算完成后点打印图片，等待云图生成，结果如附图6所示。
(4)开展残余应力模拟，得到包壳材料退火过程残余应力分布。残余应力场模拟是将温度场内板材在模拟过程中的时间—温度值提取出来，并导入本模型中开始运算。因前面温度场的数据已自动计算并导入，故无需其他设置，点击模型计算，等待计算完成，输出云图，结果如附图7所示。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.用于包壳材料退火仿真的可视化界面，其特征在于，包括轧制模拟模块、温度场模拟模块和残余应力模拟模块，所述轧制模拟模块、温度场模拟模块和残余应力模拟模块均通过Python软件调用有限元软件；
所述轧制模拟模块的显示页面设置有模型计算按钮，当点击模型计算按钮后，调用有限元软件计算并获得初始残余应力，并将初始残余应力导入残余应力模拟模块；
所述温度场模拟模块的显示页面设置有参数输入框、建模计算按钮，当点击建模计算按钮后，调用有限元软件内置有限元求解器进行计算并获得包壳材料退火过程温度场分布，并将初始温度场导入残余应力模拟模块；
所述残余应力模拟模块的显示页面设置有模型计算按钮，当点击模型计算按钮后，调用有限元软件内置残余应力计算代码，计算并获得退火过程残余应力场。
2.根据权利要求1所述的用于包壳材料退火仿真的可视化界面，其特征在于，所述轧制模拟模块的显示页面包括图形显示框、程序计算显示框、模型计算按钮、打印图片按钮、第一张按钮、最后一张按钮、上一张按钮和下一张按钮。
3.根据权利要求1所述的用于包壳材料退火仿真的可视化界面，其特征在于，所述温度场模拟模块的显示页面包括参数输入框、图形显示框、程序计算显示框、建模计算按钮、打印图片按钮、第一张按钮、最后一张按钮、上一张按钮和下一张按钮。
4.根据权利要求1所述的用于包壳材料退火仿真的可视化界面，其特征在于，所述残余应力模拟模块的显示页面图形显示框、程序计算显示框、模型计算按钮、打印图片按钮、第一张按钮、最后一张按钮、上一张按钮和下一张按钮。
5.根据权利要求1所述的用于包壳材料退火仿真的可视化界面，其特征在于，所述参数输入框包括温度输入框和时间输入框。
6.根据权利要求1所述的用于包壳材料退火仿真的可视化界面，其特征在于，所述有限元软件内存储有退火仿真用的几何模型和材料参数。
7.如权利要求1-6任一项所述可视化界面的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、建立可视化界面：利用Python建立可视化界面与有限元软件的接口；
步骤2、在可视化界面中建立页面，所述页面包括轧制模拟模块、温度场模拟模块和残余应力模拟模块。
8.根据权利要求7所述可视化界面的构建方法，其特征在于，通过Microsoft VisualStudio软件构建Visual C#语言环境，利用Windows Forms Application开发出包壳材料退火过程模拟可视化界面。
9.基于权利要求1-6任一项所述可视化界面的包壳材料退火仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、点击可视化界面上的轧制模拟模块按钮进入轧制模拟页面，点击页面中的模型计算按钮，用有限元软件计算并获得初始残余应力，并将初始残余应力导入残余应力模拟模块；
S2、点击可视化界面上的温度场模拟模块按钮进入温度场模拟页面，在参数输入框输入相应参数后，点击建模计算按钮后，调用有限元软件内置有限元求解器进行计算并获得包壳材料退火过程温度场分布，并将初始温度场导入残余应力模拟模块；
S3、点击可视化界面上的残余应力模拟模块按钮进入残余应力模拟页面，调用有限元软件内置残余应力计算代码，结合步骤S1和S2获得的初始残余应力和初始温度场，计算并获得退火过程残余应力场。
10.根据权利要求9所述可视化界面的包壳材料退火仿真方法，其特征在于，所述轧制模拟页面、温度场模拟页面和残余应力模拟页面均设置有打印图片按钮，通过点击打印图片按钮获得云图显示。
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