一种三维热力耦合有限元模型的构建方法及花纹板热轧方法技术

本发明专利技术涉及花纹板生产技术领域，具体涉及一种三维热力耦合有限元模型的构建方法及花纹板热轧方法。构建方法包括构建由刚体花纹辊、刚体平辊和几何变形体板坯组成的三维热力耦合有限元模型；在三维热力耦合有限元模型中进行花纹板热轧过程计算，得到板坯所有网格单元在计算时间内任意时刻的温度场、应力场和应变场；根据花纹板实际热轧过程中板坯外表面的温度修正换热系数，根据花纹板的豆高及花纹板板坯的材料强度和塑性修正热轧工艺参数。本发明专利技术能快速确定新的花纹板产品的热轧轧制参数，克服现有有限元模型分析效率和精度低的问题。克服现有有限元模型分析效率和精度低的问题。克服现有有限元模型分析效率和精度低的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种三维热力耦合有限元模型的构建方法及花纹板热轧方法


[0001]本专利技术涉及花纹板生产
，具体涉及一种三维热力耦合有限元模型的构建方法及花纹板热轧方法。

技术介绍

[0002]花纹板热轧参数的制定一直是一个比较困难的课题，控制不当会产生花纹高度不足、浪形、扁卷、粘钢和掉钢等缺陷。花纹板热轧过程中轧制压下率、轧制速度和轧制温度是热轧工艺控制不当的主要原因，因此需要反复试验和测量后利用大量的数据进行评估，但是在热轧机上进行试验的成本及危险性都比较高。
[0003]现有花纹板热轧研发技术方案中，一种方案是利用已有的花纹板产品工艺参数进行预试验，但是都存在新开发品种与预设品种不对应导致研发效率低的问题；另一种方案是针对现有设备建立有限元模型，仿真计算花纹板热轧过程中的温度分布和应力应变变化，但是都没对复杂边界条件处理、材料本构关系、换热系数处理等关键仿真参数给出比较可靠的方案，忽略了轧辊、板坯和环境之间复杂的热效应，造成花纹板热轧有限元分析的效率和精度较低，进而影响了花纹板热轧温度场、应力应变场和豆高的计算。
[0004]中国专利申请CN111695279A公开一种热连轧多机架板形有限元仿真方法，其技术方案是将整个热连轧过程分为几个部分，每个部分作为一个子模型，采用生死单元法与单元重划分技术相结合来逐个计算子模型，并通过子模型间数据传递方法来进行带钢温度和板凸度的继承与传递，从而将各个子模型串联为一个整体。实际轧制过程中，温度的分布对板坯的应力应变的分布影响较大；同时轧辊和环境温度都会对板坯的温度分布产生影响，此专利技术不考虑热边界条件会造成热轧有限元分析的精度较低，进而影响板坯温度场和应力应变场的计算。
[0005]中国专利申请CN109359424A公开了一种用于轧制成型加工有限元计算的仿真模拟计算方法，该仿真模拟计算方法包括多个道次的有限元轧制计算，在每一个道次的有限元轧制计算中，除了第一个道次的有限元轧制计算外均以截取的上一个相邻道次的一小段轧制件为计算对象继续进行计算直到完成整个轧制件的计算工作。但是该专利技术的材料属性并没有准确定义。在热轧加工中，由于软化、硬化效应和应变率强化效应三者的同时出现，会使得该过程变为极为复杂的非线性过程，不能准确定义材料的热物理性能和本构方程就无法反应材料在大应变、高应变速率情况下流动应力的变化。

技术实现思路

[0006]针对现有花纹板热轧有限元模型分析效率和精度低的技术问题，本专利技术提供一种三维热力耦合有限元模型的构建方法及花纹板热轧方法，本专利技术方法能够快速、准确、可靠的确定新的花纹板产品的热轧轧制参数，降低企业实际研发费用和时间成本。
[0007]第一方面，本专利技术提供一种三维热力耦合有限元模型构建方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1：建立由刚体花纹辊、刚体平辊和几何变形体板坯组成的三维热力耦合有限
元模型；
[0009]步骤2：在三维热力耦合有限元模型中进行花纹板热轧过程计算，得到板坯所有网格单元在计算时间内任意时刻的温度场、应力场和应变场；
[0010]步骤3：根据花纹板实际热轧过程中板坯外表面的温度修正换热系数，根据花纹板的豆高及花纹板板坯的材料强度和塑性修正热轧工艺参数。
[0011]进一步的，步骤1包括：
[0012]步骤1.1：对板坯进行热物理性能实验，获得有限元热力耦合分析所需要的热物理性能参数，所述热物理性能参数包括材料密度、泊松比、随温度变化的弹性模量、比热容、导热系数及热膨胀系数；
[0013]步骤1.2：根据花纹辊、平辊和板坯实际的形状、尺寸及公差要求，运用3D建模软件建立花纹板热扎的几何模型；
[0014]步骤1.3：在花纹辊几何中心建立一个参考点A，将参考点A和花纹辊端面进行耦合约束；
[0015]步骤1.4：根据实际热轧过程中花纹辊的转速对参考点A施加转动边界条件带动花纹辊进行自转，并设置转动惯量；
[0016]步骤1.5：在平辊几何中心建立一个参考点B，将参考点B和平辊端面进行耦合约束；
[0017]步骤1.6：根据实际热轧过程中平辊的转速对参考点B施加转动边界条件，带动平辊进行自转，并设置转动惯量。
[0018]进一步的，步骤1.3具体为选中参考点A，固定花纹辊除自转之外的位移边界条件。
[0019]进一步的，步骤1.5包括：
[0020]步骤1.5.1：选中参考点B，固定平辊除自转之外的位移边界条件；
[0021]步骤1.5.2：选中参考点B，对平辊施加集中力，集中力的方向为垂直轧制方向。
[0022]进一步的，步骤2包括：
[0023]步骤2.1：利用本构方程和步骤1.1中热物理性能实验得到的参数对三维热力耦合有限元模型中板坯的材料属性进行赋值；
[0024]步骤2.2：将板坯的后表面设置成一个面集合，根据实际热轧过程板坯咬入轧辊前的行进速度，对板坯后表面施加速度预定义场X，其他表面无任何速度边界条件设置；
[0025]步骤2.3：根据实际花纹板热轧过程中板坯入口温度设置板坯的预定义场X温度，根据热轧现场实测的环境温度设置接触的环境温度，用于模拟花纹板热轧过程中环境和板坯的换热；
[0026]步骤2.4：在有限元软件中沿板坯的厚度方向划分为M层网络，网格单元类型设置为8节点的热力耦合实体单元；
[0027]步骤2.5：利用有限元软件对划分网格后的三维热力耦合有限元模型进行热轧过程计算，得到板坯所有网格单元在计算时间内任意时刻的温度场、应力场和应变场，并得到该轧制参数下花纹板的豆高和豆形。
[0028]进一步的，步骤2.1中的本构方程为：
[0029][0030]T
h
＝(T+T
r
)/(T
b
+T
r
)；
[0031]式中，为von
‑
Mises流动应力，为材料的等效塑性应变，C为材料的应变率强化参数，m为材料的热软化参数，C、m可通过如《材料成形力学》等本领域工具书查询得到，为应变率，为材料的参考应变率，A、B、n分别为在和T
h
下的初始屈服应力值、硬化模量、硬化指数，T
h
为无量纲温度，T为材料温度，T
b
为材料熔点，T
r
为室温。
[0032]进一步的，步骤3包括：
[0033]步骤3.1：利用花纹辊和平辊进行板坯的热轧加工后，测量出板坯的外表面的温度，如果测量出的任一外表面温度值T1大于温度场中的外表面温度值T2，降低板坯外表面的换热系数直至温度值T1与T2之差的绝对值小于预设误差δ1；否则增加板坯外表面的换热系数直至温度值T1与T2之差的绝对值小于预设误差δ1；
[0034]步骤3.2：如果仿真计算得到的花纹板豆高值h1'高于产品标准要求h，降低板坯的轧制压下量直至豆高值h1'与h之差的绝对值小于预设误差δ1'；否则增加板坯轧制压下量直至h1'与h本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维热力耦合有限元模型构建方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：建立由刚体花纹辊、刚体平辊和几何变形体板坯组成的三维热力耦合有限元模型；步骤2：在三维热力耦合有限元模型中进行花纹板热轧过程计算，得到板坯所有网格单元在计算时间内任意时刻的温度场、应力场和应变场；步骤3：根据花纹板实际热轧过程中板坯外表面的温度修正换热系数，根据花纹板的豆高及花纹板板坯的材料强度和塑性修正热轧工艺参数。2.如权利要求1所述的三维热力耦合有限元模型构建方法，其特征在于，步骤1包括：步骤1.1：对板坯进行热物理性能实验，获得有限元热力耦合分析所需要的热物理性能参数，所述热物理性能参数包括材料密度、泊松比、随温度变化的弹性模量、比热容、导热系数及热膨胀系数；步骤1.2：根据花纹辊、平辊和板坯实际的形状、尺寸及公差要求，运用3D建模软件建立花纹板热扎的几何模型；步骤1.3：在花纹辊几何中心建立一个参考点A，将参考点A和花纹辊端面进行耦合约束；步骤1.4：根据实际热轧过程中花纹辊的转速对参考点A施加转动边界条件带动花纹辊进行自转，并设置转动惯量；步骤1.5：在平辊几何中心建立一个参考点B，将参考点B和平辊端面进行耦合约束；步骤1.6：根据实际热轧过程中平辊的转速对参考点B施加转动边界条件带动平辊进行自转，并设置转动惯量。3.如权利要求2所述的三维热力耦合有限元模型构建方法，其特征在于，步骤1.5包括：步骤1.5.1：选中参考点B，固定平辊除自转之外的位移边界条件；步骤1.5.2：选中参考点B，对平辊施加集中力，集中力的方向为垂直轧制方向。4.如权利要求1所述的三维热力耦合有限元模型构建方法，其特征在于，步骤2包括：步骤2.1：利用本构方程和步骤1.1中热物理性能实验得到的参数对三维热力耦合有限元模型中板坯的材料属性进行赋值；步骤2.2：将板坯的后表面设置成一个面集合，根据实际热轧过程板坯咬入轧辊前的行进速度，对板坯后表面施加速度预定义场X，其他表面无任何速度边界条件设置；步骤2.3：根据实际花纹板热轧过程中板坯入口温度设置板坯的预定义场X温度，根据热轧现场实测的环境温度设置接触的环境温度，用于模拟花纹板热轧过程中环境和板坯的换热；步骤2.4：在有限元软件中沿板坯的厚度方向划分为M层网络，网格单元类型设置为8节点的热力耦合实体单元；步骤2.5：利用有限元软件对划分网格后的三维热力耦合有限元模型进行热轧过程计算，得到板坯所有网格单元在计算时间内任意时刻的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨贵玲，刘光军，贾崇雪，于爽，王南辉，夏继年，黄诚，李贺，文雄，田祥省，牛夫成，
申请(专利权)人：山东钢铁集团日照有限公司，
类型：发明
国别省市：