CN113627055A - 一种基于有限元数值模拟的棒材芯表温差计算方法 - Google Patents

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章小峰
武学俊
黄贞益
李佑河
席波
侯群峰
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Nanjing Iron and Steel Co Ltd
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Nanjing Iron and Steel Co Ltd
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Abstract

本发明提出了一种基于有限元数值模拟的棒材芯表温差计算方法，首先基于有限元分析软件实现对大规格棒材的精确建模、划分网格、建立边界条件及表面单元及空间节点的建立等工作；然后利用POST26后处理器对空冷过程中的大规格棒材的芯表温度进行瞬态分析，分别计算出芯表温度曲线，进行求差计算得到芯表温度差。本发明基于有限元模拟的方法对大规格棒材空冷芯表温度的变化规律进行分析，为后续芯表温差的控制提供了更可靠、更快速的指导方法，节省了大量人力及物理损耗。

Description

一种基于有限元数值模拟的棒材芯表温差计算方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶金技术领域，具体涉及热轧大规格棒材芯表温差计算方法。
背景技术
棒材是国民经济的重要组成部分，在制造业、建筑业、和交通运业有着十分广泛的应用。随着市场竞争的日益加剧，企业对于棒材的产品质量和性能要求越来越高，而温度是影响棒材产品质量的一个十分重要的因素。对于大规格棒材(直径大于50mm的棒材)来说，随着尺寸规格的增加，芯表温差越大。芯表温差过大会导致棒材芯表晶粒大小、组织、变形抗力等产生差异，在后续变形过程中导致力学性能不均匀。对于芯表温差控制的前提是要精确测量芯表温差。生产中通常采用物理试验的方法，物理试验方法对实验环境要求苛刻，且消耗人力、物力。
发明内容
为了克服了现有研究对芯部温度测量困难的缺陷，减少了人力及物力损耗，本发明提出利用有限元数值分析对大规格棒材的芯表温度进行计算。棒材在加热后的空冷过程，热量的散失主要是依靠辐射散热和空气对流散热，因此该计算方法基于对辐射散热系数及对流换热系数模型的建立，通过有限元数值分析的方法对大规格棒材的芯表温度进行计算，可随时对不同规格的棒材进行芯表温度计算，其计算结果不但精确，且节省了时间及人力。精确掌握芯表温度情况，可以为后续工艺提供指导。
针对现有的棒材芯表温度测量技术不足，本发明采用有限元模拟的方式，提供一种基于有限元数值模拟的棒材芯表温差计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
一种基于有限元数值模拟的棒材芯表温差计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据棒材几何参数，在有限元分析软件ANSYS的前处理模块中建立棒材的三维几何模型，或在三维建模软件中建立棒材的三维几何模型，并将节点单元数据读入有限元分析软件ANSYS中；
步骤2：建立材料热物性参数模型；
步骤3：在有限元分析软件ANSYS中对棒材的三维几何模型进行网格划分；
步骤4：定义热实体单元的类型与实常数：
步骤5：设置初始条件和边界条件；
步骤6：施加载荷及载荷选项；
步骤7：进行模拟求解设置；
步骤8：设置计算时间步长和迭代步数，完成求解；
步骤9：进入时间-历程POST26后处理器，对棒材的三维几何模型进行瞬态分析，获取棒材三维几何模型在任意时间点上的芯表温度值，分别计算出芯表温度曲线，进行求差计算得到芯表温度差。
本发明提出了一种基于有限元数值模拟的棒材芯表温差计算方法，首先基于有限元分析软件实现对大规格棒材的精确建模、划分网格、建立边界条件及表面单元及空间节点的建立等工作；然后利用POST26后处理器对空冷过程中的大规格棒材的芯表温度进行瞬态分析，并将芯表温度转化为芯表温差曲线，进行求差计算得到芯表温度差。本发明基于有限元模拟的方法对大规格棒材空冷芯表温度的变化规律进行分析，为后续芯表温差的控制提供了更可靠、更快速的指导方法，节省了大量人力及物理损耗。
附图说明
图1为本发明实施例基于有限元数值模拟的棒材芯表温差计算方法流程图；
图2为本发明实施例基于ANSYS软件构建的棒材三维几何模型示意图；
图3为本发明实施例棒材三维几何模型的网格划分示意图；
图4为物理模型试验与本发明实施例数值模拟的棒材芯表温度输出结果对比图；
图5为物理模型试验与本发明实施例数值模拟的棒材芯表温差输出结果对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施实例对发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种基于有限元数值模拟的棒材芯表温差计算方法，包括如下步骤：
步骤1：根据实际棒材几何参数，在有限元分析软件ANSYS的前处理中建立棒材的三维几何模型，设置棒材直径Φ＝150mm，长度500mm。或在三维建模软件中建模，将节点单元数据读入ANSYS中，如图2所示。
步骤2：建立材料热物性参数模型
材料的物理性能参数随温度的变化而变化，需要考虑不同温度下的材料物理性能参数，包括材料不同温度下的材料密度、导热系数、比热容。
步骤3：在有限元分析软件中对棒材的三维几何模型进行网格划分，采用mapped网格划分方式，网格采用六面体网格，单元尺寸设为1，如图3所示。
步骤4：定义热实体单元类型与实常数
热实体单元的表面上同时施加热流载荷和对流载荷，又或者施加指定的辐射等，在这种情况，可以用表面效应单元覆盖需要施加载荷的表面并使用它们作为一个管道以施加所需的载荷。针对大规格棒材的空冷问题研究，选用SOLID70实体单元和SURF152表面效应单元。SOLID70实体单元是一个具有导热能力的单元，该单元有八个节点，每个节点只有一个自由度，该单元可用于三维的稳态或瞬态热分析问题。SURF152表面效应单元可用于多种载荷和表面效应的应用。它可以覆盖在任何三维热单元的表面，该单元可用于三维热分析，多种载荷和表面效应可以同时存在。关于实常数的定义就是设置表面效应单元的斯蒂芬.波尔兹曼常数为5.67×10-8，定义任意空间节点。
步骤5：设置初始条件和边界条件
导热微分方程描述的是固体内部导热的一般规律，其解有无数个，在解决工程问题时需要加入边界条件。棒材在空冷过程中与环境的热交换主要是辐射散热和对流散热，因此需要确定对流换热条件和辐射换热条件。
同时存在辐射换热和对流换热的表面边界条件为：
Figure BDA0003193454140000031
Figure BDA0003193454140000032
式中TW代表固体的表面温度(℃)，TA代表流体主流温度(℃)，hz代表综合换热系数(W/m2·℃)；ha代表对流换热系数(W/m2·℃)，hr代表辐射换热(W/m2·℃)。
步骤6：施加载荷及载荷选项
将载荷施加在棒材的三维几何模型的节点和单元上。根据实际情况，对三维几何模型进行加载，包括棒材初始均匀温度场、环境温度，设置棒材初始温度为1200℃，环境温度为25℃。定义分析类型为瞬态分析，载荷步选择Stepped。
步骤7：进行模拟求解设置
采用牛顿-拉夫森法进行求解，牛顿-拉夫森法速度快，迭代次数少，求解器选用SPARSE求解器。求解的结果为：(1)节点的自由度值，为基本解；(2)原始解的导出值，为单元解。单元解通常是在单元的公共点上计算出的，ANSYS程序将结果写入数据库和结果文件。
步骤8：根据实际情况设置计算时间步长和迭代步数，完成求解。
步骤9：模拟求解结束后，进入时间—历程POST26后处理器，对棒材三维几何模型进行瞬态分析，获取棒材三维几何模型在任意时间点上的芯表温度值，分别计算出芯表温度曲线，进行求差计算得到芯表温度差。
为了验证本发明方法结果的可靠性与准确性，申请人开展了物理模型试验，并将结果与数值模拟的结果进行对比，图4和图5分别为棒材空冷过程芯表温度及芯表温差输出结果对比，可以看出，数值模拟的结果与物理模型试验结果符合良好，可认为本发明方法构建的数值模型能够较为真实地模拟大规格棒材空冷过程中的芯表温度，并可对不同规格的棒材芯表温差做出准确预测。

Claims (7)

1.一种基于有限元数值模拟的棒材芯表温差计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据棒材几何参数，在有限元分析软件ANSYS的前处理模块中建立棒材的三维几何模型，或在三维建模软件中建立棒材的三维几何模型，并将节点单元数据读入有限元分析软件ANSYS中；
步骤2：建立材料热物性参数模型；
步骤3：在有限元分析软件ANSYS中对棒材的三维几何模型进行网格划分；
步骤4：定义实体单元和表面效应单元类型及表面效应单元实常数；
步骤5：设置初始条件和边界条件；
步骤6：施加载荷及载荷选项；
步骤7：进行模拟求解设置；
步骤8：设置计算时间步长和迭代步数，完成求解；
步骤9：进入时间-历程POST26后处理器，对棒材的三维几何模型进行瞬态分析，获取棒材三维几何模型在任意时间点上的芯表温度值，分别计算出芯表温度曲线，进行求差计算得到芯表温度差。
2.如权利要求1所述的基于有限元数值模拟的棒材芯表温差计算方法，其特征在于，所述材料热物性参数包括材料不同温度下的材料密度、导热系数、比热容。
3.如权利要求1所述的基于有限元数值模拟的棒材芯表温差计算方法，其特征在于，所述步骤4，选用SOLID70实体单元和SURF152表面效应单元覆盖需要施加载荷的热实体表面，设置SURF152表面效应单元的斯蒂芬·波尔兹曼常数，将SURF152表面效应单元作为施加所需载荷的管道。
4.如权利要求1所述的基于有限元数值模拟的棒材芯表温差计算方法，其特征在于，所述步骤5，设置边界条件为：
Figure FDA0003193454130000011
Figure FDA0003193454130000012
式中TW代表固体的表面温度(℃)，TA代表流体主流温度(℃)，hz代表综合换热系数(W/m2·℃)；ha代表对流换热系数(W/m2·℃)，hr代表辐射换热(W/m2·℃)。
5.如权利要求1所述的基于有限元数值模拟的棒材芯表温差计算方法，其特征在于，所述步骤6，将载荷施加在棒材的三维几何模型的节点和单元上，根据实际情况对棒材的三维几何模型进行加载，包括棒材初始均匀温度场、环境温度，定义分析类型为瞬态分析，载荷步选择Stepped。
6.如权利要求1所述的基于有限元数值模拟的棒材芯表温差计算方法，其特征在于，所述步骤7，采用牛顿-拉夫森法进行求解，求解器选用SPARSE求解器，设置求解的结果为：(1)节点的自由度值，为基本解；(2)原始解的导出值，为单元解。
7.如权利要求1所述的基于有限元数值模拟的棒材芯表温差计算方法，其特征在于，所述步骤3，采用mapped网格划分方式，网格采用六面体网格，单元尺寸设为1。
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