一种超厚板坯多道次轧制工艺的数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种超厚板坯多道次轧制工艺的数值模拟方法，包括：建立数值模拟系统；向数值模拟系统输入边界条件、材料参数、工艺参数和模拟控制参数；数值模拟超厚板坯经过各道次的轧制过程，其中：采用有限元法分步数值模拟板坯接触上、下轧辊进入咬入非稳态变形轧制阶段，采用Euler网格的有限体积法数值模拟板坯进入稳态变形轧制阶段；数值模拟完成。本发明专利技术可对超厚板坯的整个轧制过程进行准确模拟，模拟精度高、模拟运算时间短，为制订最优、合理的轧制工艺方案提供了可靠的数值依据。

A NUMERICAL SIMULATION METHOD FOR MULTIPLE ROLLING PROCESS OF ULTRATHICK SLAB

【技术实现步骤摘要】
一种超厚板坯多道次轧制工艺的数值模拟方法
本专利技术涉及一种超厚板坯多道次轧制工艺的数值模拟方法，属于有色金属加工工艺模拟

技术介绍
高强高韧铝合金厚板是现代航空、航天、船舶制造及交通运输等领域中极为重要的结构材料。热轧是制造高强高韧铝合金厚板工艺中最关键的工序，即变形手段。通过热轧可实现板材的大变形，消除铸造缺陷、细化晶粒，从而增强板材的整体性能。但是，由于受现有轧机开口度及坯料原始厚度的限制，同步轧制难以实现大厚度铝合金板材的充分和均匀变形，造成轧板表面和中心的变形、组织和性能的不均一，产品残余应力过高等问题，成为高强高韧铝合金厚板制造技术中迫切需要解决的难题。试验表明，错位异步轧制可实现在不增加压下量的前提下，增加被轧制板材的变形量，有利于增加轧板的中心变形，提高轧板变形和组织的均匀性。如图1所示，错位异步轧制工艺的原理是将异步轧机一侧的慢速轧辊沿轧制传送方向调整一错位量S。由于在异步轧制过程中板坯上、下应变量不同，板坯会向慢速轧辊一侧弯曲，将慢速轧辊向轧制传送方向错位，将会对板坯施加一个与板坯弯曲方向相反的作用力，从而有助于减小板坯的弯曲。与异步轧制相比，错位异步轧制不仅具备异步轧制的优点，如降低轧制压力、增加了剪切变形、提高轧制精度，同时还能克服异步轧制在厚板生产中板坯弯曲严重的难题。但是只进行单道次的错位异步轧制，铝合金厚板依然会出现弯曲的现象，因此，高强高韧铝合金超厚板的制备必须经过多道次的热轧过程，才能完全消除板坯的弯曲。轧制时的初轧温度、压下量、道次数量、停留时间、异速比等各个因素的改变都会导致板坯最终性能的变化。因此，制订合理、最优的轧制工艺方案是必需的，但这需要清晰、准确地认识各个工艺参数对轧板成形性能有何影响，需要综合衡量出多道次轧制过程中各个工艺参数对最终板坯质量的影响规律。而早期的轧制工艺制定中多采用试错法，但试错法具有实验周期长，浪费人力和物力等诸多缺点。通过数值模拟方法可以快速地对轧制过程进行仿真分析，预测不同轧制工艺下的轧制质量，为工艺优化提供详尽的参考数据，成为金属轧制研究及工艺优化最有力的工具。但是由于错位异步轧制变形过程复杂且属于塑性大变形过程，采用传统的有限元法模拟多道次错位异步过程，计算耗时较长、模拟精度低，急需发展新的数值模拟技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超厚板坯多道次轧制工艺的数值模拟方法，其可对超厚板坯的整个轧制过程进行准确模拟，模拟精度高、模拟运算时间短，为制订最优、合理的轧制工艺方案提供了可靠的数值依据。为了实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种超厚板坯多道次轧制工艺的数值模拟方法，其特征在于，它包括步骤：1)建立数值模拟系统，数值模拟系统包括传热模型、材料模型、摩擦模型、本构方程、组织演变模型，以及采用CAD软件建立的上、下轧辊和超厚板坯的几何模型；2)向数值模拟系统输入边界条件、材料参数、工艺参数；3)数值模拟超厚板坯经过第N道次的轧制过程：3-1)基于数值模拟系统，采用有限元法分步数值模拟板坯接触上、下轧辊进入咬入非稳态变形轧制阶段；3-2)基于插值公式实现有限元法模拟向有限体积法模拟转换的各物理场量数据的传递；3-3)基于数值模拟系统，采用Euler网格的有限体积法数值模拟板坯进入稳态变形轧制阶段；3-4)基于插值公式实现有限体积法模拟向有限元法模拟转换的各物理场量数据的传递；4)N增加1，重复执行3)，直至板坯经过所有道次全部轧制完毕，进入5)；5)数值模拟完成，获得的数值模拟结果包括传热模型输出的轧板温度场分布情况、材料模型与本构方程、摩擦模型相结合输出的应力应变场分布情况、组织演变模型输出的错位异步轧制过程中的再结晶分布情况；其中：N从1开始，道次数量大于等于8。本专利技术的优点是：1、本专利技术数值模拟方法可对超厚板坯的整个轧制过程进行准确模拟，具有模拟精度高、模拟运算时间短的优点，为制订最优、合理的轧制工艺方案提供了可靠的数值依据。2、基于本专利技术数值模拟方法对超厚板坯实施热轧工艺，可以有效确保板坯发生大变形来消除板坯的铸造缺陷、细化晶粒，增强板坯的整体性能。本专利技术特别适用于高强高韧铝合金超厚板坯轧制工艺的数值模拟。3、本专利技术在多道次轧制工艺中，基于数值模拟系统，在板坯接触上下轧辊进入咬入非稳态变形轧制阶段中采用有限元法进行分步数值模拟，在板坯进入稳态变形轧制阶段中采用有限体积法进行数值模拟，充分利用了两种几何模型各自的优势，其中，在咬入非稳态变形轧制阶段，本专利技术基于有限元法实行分步模拟，将一个复杂的大变形过程分为几个相对简单的小变形过程，解决了有限元法塑性大变形过程无法回避的网格频繁重划分引起体积和精度损失的难题。4、本专利技术通过网格节点的插值技术实现了有限元法与有限体积法模拟之间各种物理场量数据的准确传递。附图说明图1是现有错位异步轧制工艺的原理说明图。图2是本专利技术数值模拟方法的实现流程图。具体实施方式如图2，本专利技术超厚板坯多道次轧制工艺的数值模拟方法包括步骤：1)建立数值模拟系统，数值模拟系统包括传热模型、材料模型、摩擦模型、本构方程、组织演变模型，以及采用CAD软件建立的上、下轧辊20、30和超厚板坯10的几何模型；2)向数值模拟系统输入边界条件、材料参数、工艺参数；3)数值模拟超厚板坯10经过第N道次的轧制过程：3-1)基于数值模拟系统，采用有限元法(公知算法)分步数值模拟板坯10接触上、下轧辊20、30进入咬入非稳态变形轧制阶段；3-2)基于插值公式实现有限元法模拟向有限体积法模拟转换的各物理场量数据的传递；3-3)基于数值模拟系统，采用Euler网格的有限体积法(公知算法)数值模拟板坯10进入稳态变形轧制阶段；3-4)基于插值公式实现有限体积法模拟向有限元法模拟转换的各物理场量数据的传递；4)N增加1，重复执行3)，直至板坯10经过所有道次全部轧制完毕，进入5)；5)数值模拟完成，获得的数值模拟结果包括传热模型输出的轧板温度场分布情况、材料模型与本构方程、摩擦模型相结合输出的应力应变场分布情况、组织演变模型输出的错位异步轧制过程中的再结晶分布情况；其中：N从1开始，N＝1，2，3，……，N为正整数，道次数量大于等于8。在本专利技术中，传热模型包括对流传热、辐射传热和接触传热。对流传热中对板坯的上、下表面施加不同的对流传热系数。辐射传热的辐射率根据在轧制线上的测量结果对不同轧制阶段施加不同的值。接触传热采用Hlady实验建立的经验公式，考虑上、下轧辊的热传导系数和轧制压力确定对接触换热系数的影响。在本专利技术中，材料模型是根据相应型号板坯材料(如铝合金)在不同温度下的密度、热导率、比热容、线膨胀系数、弹性模量等参数(从相关手册获得)建立起来的模型。在本专利技术中，本构方程(又称流变应力方程)采用Sellars等人提出的双曲正弦函数来描述通过不同温度、应变速率下的单道次等温压缩实验结果回归出函数中的常数，从而建立板坯材料(如铝合金)的流变应力模型。在本专利技术中，摩擦模型是将热轧过程中的摩擦采用反正切函数修正的剪切摩擦模型来描述。在本专利技术中，组织演变模型采用温度补偿的Avrami方程来描述板坯材料在错位异步轧制过程发生再结晶的动力学转变。组织演变模型通常通过等温双道次间隔热压缩实验，计算出不同温度条件下板坯材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超厚板坯多道次轧制工艺的数值模拟方法，其特征在于，它包括步骤：1)建立数值模拟系统，数值模拟系统包括传热模型、材料模型、摩擦模型、本构方程、组织演变模型，以及采用CAD软件建立的上、下轧辊和超厚板坯的几何模型；2)向数值模拟系统输入边界条件、材料参数、工艺参数；3)数值模拟超厚板坯经过第N道次的轧制过程：3‑1)基于数值模拟系统，采用有限元法分步数值模拟板坯接触上、下轧辊进入咬入非稳态变形轧制阶段；3‑2)基于插值公式实现有限元法模拟向有限体积法模拟转换的各物理场量数据的传递；3‑3)基于数值模拟系统，采用Euler网格的有限体积法数值模拟板坯进入稳态变形轧制阶段；3‑4)基于插值公式实现有限体积法模拟向有限元法模拟转换的各物理场量数据的传递；4)N增加1，重复执行3)，直至板坯经过所有道次全部轧制完毕，进入5)；5)数值模拟完成，获得的数值模拟结果包括传热模型输出的轧板温度场分布情况、材料模型与本构方程、摩擦模型相结合输出的应力应变场分布情况、组织演变模型输出的错位异步轧制过程中的再结晶分布情况；其中：N从1开始，道次数量大于等于8。

【技术特征摘要】
1.一种超厚板坯多道次轧制工艺的数值模拟方法，其特征在于，它包括步骤：1)建立数值模拟系统，数值模拟系统包括传热模型、材料模型、摩擦模型、本构方程、组织演变模型，以及采用CAD软件建立的上、下轧辊和超厚板坯的几何模型；2)向数值模拟系统输入边界条件、材料参数、工艺参数；3)数值模拟超厚板坯经过第N道次的轧制过程：3-1)基于数值模拟系统，采用有限元法分步数值模拟板坯接触上、下轧辊进入咬入非稳态变形轧制阶段；3-2)基于插值公式实现有限元法模拟向有限体积法模拟转换的各物理场量数据的传递；3-3)基于数值模拟系统，采用Euler网格的有限体积法数值模拟板坯进入稳态变形轧制阶段；3-4)基于插值公式实现有限体积法模拟向有限元法模拟转换的各物理场量数据的传递；4)N增加1，重复执行3)，直至板坯经过所有道次全部轧制完毕，进入5)；5)数值模拟完成，获得的数值模拟结果包括传热模型输出的轧板温度场分布情况、材料模型与本构方程、摩擦模型相结合输出的应力应变场分布情况、组织演变模型输出的错位异步轧制过程中的再结晶分布情况；其中：N从1开始，道次数量大于等于8。2.如权利要求1所述的超厚板坯多道次轧制工艺的数值模拟方法，其特征在于：在所述步骤2)中：所述边界条件包括所述板坯的厚度和长度、所述板坯的压下量、轧制初始加热温度；所述材料参数包括板坯材料的型号、强度、硬度、弹性模量；所述工艺参数包括道次数量、板坯传送速度、上、下轧辊间的错位量和异速比。3.如权利要求1所述的超厚板坯多道次轧制工艺的数值模拟方法，其特征在于：所述咬入非稳态变形轧制阶段分为若干步进行模拟：A)设定初始有限元网格及其边长，和所述板坯的初始步长，将所述板坯、所述上、下轧辊的几何模型用初始有限元网格划分，其中，初始有限元网格为边长相等的四面体网格；B)所述板坯传送进行轧制，轧制过程中若有限元网格发生畸变，则此步模拟停止；C)根据板坯变形程度，重新给出板坯对应几何模型的有限元网格的新边长，和...

【专利技术属性】
技术研发人员：程磊，黄国杰，肖伟，王建伟，
申请(专利权)人：北京有色金属研究总院，
类型：发明
国别省市：北京,11