（机械设计及理论专业论文）h型钢热轧过程微观组织和工艺参数的仿真研究.pdf

摘要 摘要 与普通工字钢相比，h 型钢相同重量时截面模量大，具有更好的抗弯能力， 其在高层建筑、高速公路、飞机停机坪、导弹发射架等巨型建筑上优势明显。对h 型钢生产过程中轧制力和温度以及微观组织变化情况的仿真研究以及h 型钢的生 产工艺参数预测系统开发可以使工程技术人员更有效的调整生产工艺参数，优化 产品的生产流程，并高效的开发新的产品型号。 通过g l e e l b e 1 5 0 0 试验机进行了温度为9 0 0 、1 0 0 0 、1 1 0 0 、1 2 0 0 ，应 变速率为l s ，6 s ，1 5 s 以圆柱金属试件的压缩试验，从而得到高温试验材料在不 同应变速率下本构关系。对压缩过后的试样制备金相观测试样，进行奥氏体动态 再结晶的观测试验，观测其在不同试验条件下的奥氏体动态再结晶的晶粒大小， 并利用c m s e l l a r 提出的基本公式推导了动态再结晶激活能，继而拟合出奥氏体动 态再结晶晶粒度的计算公式。 利用试验得到的应力应变关系，以有限元为工具，建立了h 型钢热轧过程的 有限元仿真模型，通过仿真结果拟合得到轧制力、温度预测公式。借助有限元软 件a b a q u s 提供的v u m a t 程序接口，可以将动态再结晶晶粒度的预测公式嵌入 有限元模型，从而直观的得到奥氏体动态再结晶变化的仿真云图。为了将有限元 对h 型钢生产过程的模拟结果直观的展现出来，利用数值模拟得到的轧制力和温 度变化范围的预测公式，以v b 作为开发软件开发出适用于h 型钢轧制力和温度 的生产工艺参数预测系统。 通过h 型钢热轧的有限元模型，可以准确掌握h 型钢轧制过程中的应力应变 场分布，温度分布。通过动态再结晶数学模型得到的晶粒演变过程的预报结果， 能够有针对性的在热加工过程中调整工艺参数，细化微观组织。将其与有限元模 型相结合得到直观的预测结果拓宽了有限元的应用领域。 关键词：h 型钢：有限元；动态再结晶 山东省经委技术创新项目( 编号：2 0 0 3 1 8 2 ) 山东大学硕十学位论文 a b s t r a c t c o m p a r e d 谢mi - b e a m ，h - b e a mh a sab e r e rb e n d i n gr e s i s t a n c ea b i l i t ya si th a sa b i g g e rs e c t i o nm o d u l u st h a ni - b e a mw h e nt h e ya r ei nt h es a m ew e i g h t h - b e a m s d o m i n a n c ec a nb ec l e a r l ye x p r e s s e di nh i g h r i s eb u i l d i n g 、f r e e w a y 、p a r k i n gs p a c ea n d m i s s i l el a u n c h e r , e t c s ot h es i m u l a t i o nr e s e a r c ha b o u tt h er o l l i n gf o r c e 、t e m p e r a t u r ea n d t h em i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o n d u r i n g t h eh - b e a mp r o d u c t i o n p r o c e s s a n dt h e d e v e l o p m e n to ft h ep r o d u c t i o np a r a m e t e rp r e d i c t i o ns y s t e mp l a yak e yr o l ei nh e l p i n g e n g i n e e r st oa d j u s tt h ep r o d u c t i o np a r a m e t e r 、o p t i m i z et h ep r o d u c t i o np r o c e s sa n d p r o d u c tn e ws t y l ep r o d u c t i o ni na l le f f i c i e n tw a y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，h b e a mh o tr o l l i n gs i m u l a t i o ni sa c h i e v e db yt h eh a n do ff e m s o f t w a r es ow ec a ng e tt h er o l l i n gf o r ea n dt e m p e r a t u r ep r e d i c t i o nf o r m u l a sf o rt h e s i m u l a t i o nr e s u l t t h em a t h e m a t i cm o d e lo fh b e a md y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o ni s d e d u c e db a s eo nt h ed a t af r o me x p e r i m e n t t h e nt h em a t h e m a t i cm o d e lo fh b e a m r e c r y s t a l l i z a t i o ni se m b e d d e di n t ot h es i m u l a t i o nm o d e lt h r o u g hv u m a ts u b r o u t i n e a tl a s t ，t h er o l l i n gf o r c ea n d t e m p e r a t u r ep r e d i c t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e db a s e do nv b p r o g r a m i no r d e rt oa c h i e v et h ec o n s t i t u t i v er e l a t i o n s h i p ，t h ec o m p r e s s i o ne x p e r i m e n to ft h e m e t a lc y l i n d e rs a m p l ei sc o n d u c t e dt h r o u g hg l e e b l e - 15 0 0e x p e r i m e n t a lm a c h i n ei nt h e c o n d i t i o nt h a tt h et e m p e r a t u r ei ss e ti n9 0 0 c 、10 0 0 。c 、ll0 0 c 、1 2 0 0 。c ，r e s p e c t i v e l y a n dt h es t r a i nr a t ei ss e ti n1s ，6 s ，15 s 。1r e s p e c t i v e l y t h o u g ht h ea u s t e n i t e r e c r y s t a l l i z a t i o n o b s e r v a t i o no ft h e c o m p r e s s e ds a m p l e r s ，t h ed y n a m i c r e - c r y s t a l l i z a t i o ng r a i ns i z e i nd i s t i n c te x p e r i m e n t a ls i t u a t i o ni so b t a i n e da n dt h e r e - c r y s t a l l i z a t i o na c t i v a t i o ne n e r g yi s d e d u c e db a s e do nt h ef o r m u l a sp r o v i d e db y c m s e l l a r f u r t h e r m o r e ，t h em a t h e m a t i cm o d e lc a nb ea c q u i r e d t h ef u n c t i o no ff e m m o d e li sn o tj u s tc o n s t r a i n e dt o p r e d i c tt h ec h a n g i n go ft h er o l l i n gf o r c ea n d t e m p e r a t u r ed u r i n gt h eh b e a mh o tr o l l i n g w i t ht h eh e l po ft h ev u m a tp r o g r a m a c c e s ss u p p l i e db ya b a q u s ，t h ep r e d i c t i o nf o r m u l a so ft h ea u s t e n i t er e - c r y s t a l l i z a t i o n g r a i ns i z ei se m b e d d e di n t ot h es i m u l a t i o nm o d e ls ot h a tw ec a nd e t e c tt h ec h a n g eo ft h e l i 摘要 i i l l a u s t e n i t er e - c r y s t a l l i z a t i o ni na nd i r e c tw a y i no r d e rt od e p l o yt h es i m u l a t i o nr e s u l t so f t h eh b e a mr o l l i n gp r o c e s s ，t h ev bp r o g r a mi sd e v e l o p e di nw h i c hw ec a r lp r e d i c t i o n t h er o l l i n gf o r c ea n dt h er a n g eo ft e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o ni ne v e r yp r o c e d u r er e l y i n go n t h ef o r m u l a sd e d u c e df r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h eh b e a mh o tr o l l i n gf e mm o d e lc a nb eu t i l i z e dt oc o m m a n dt h ed i s t r i b u t i o no f t h es t r e s sf i e l da n dt h es t r a i nf i e l dd u r i n gt h ep r o d u c t i o np r o c e s s p r o d u c t i o np a r a m e t e r a n db ea d j u s t e da c c o r d i n gt ot h em a t h e m a t i cm o d e lo fd y n a m i cr e - c r y s t a l l i z a t i o ns o 嬲 t oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t i nf i n a l ，t h ed e v e l o p m e n to fv bp r o g r a md o e n g i n e e r sag o dh a n dt oh e l pt h e mu s et h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i t h o u tt h ec o m p l i c a t e d s i m u l a t i o np r o c e s sa n ds h o r t e nt h ep e r i o do ft h ed e v e l o p m e n to fn e w - s t y l ep r o d u c t i o n ， k e y w o r d s ：h b e a m ；f e m ；r e - c r y s t a l l i z a t i o n i ! i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：查抽1 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：萎b 痒一导师签名： 论文作者签名：篓啦导师签名： 第1 章绪论 1 1h 型钢的生产与应用 i 1 1h 型钢介绍 h 型钢是一种截面面积分配更加优化、强重比更加合理的经济断面高效型材 因其断面与英文字母“h ”相同而得名，又叫平行腿工字钢。在相同单重条件下，h 型钢较普通工字钢截面模数大，具有抗弯能力强”i 、施工简单、节约成本和结构重 量轻等优点其用途完全覆盖普通工字钢。如果不考虑变形过程中的材料损失， 则横截面面积可以反映原材料的消耗量。而抗弯、抗剪、抗拉强度以及惯性半径 的大小反映了型村的综合使用性能。一般可以定义一个标量数值c ( 性能能耗比) 来比较h 型钢和工字钢的综合使用性能，数值越大表示综合性能越高。 c = ；( 塑型型端揣鬻业型，( 1 - 1 ， 。5 、横截面面积比 所以 i 型钢在高层建筑、工业厂房、火力发电、机械制造、起重机械、石油 化工、海洋工程和地铁工程等行业得到了越来越广泛的应用即j 。钢铁工业是国民 经济的重要支柱产业，足够数量的优质钢铁是实现我国全面i ：业化的必要条件之 一。而h 型钢作为一种多用途高效材料，是我国提倡发展的经济性钢铁产品之一。 圈i l 到13 为i i 型钢的某些典型应用场合。 削ilh o 钢d ：厂房建筑中的向埘 幽i2h 钢在楼廊建筑中的j 剜| j幽13h 钢席圳j 施i 现场 1 1 2h 型钢的生产流程 为了生广：卅质量好、成本低的h 型钢，首先需要确定一个合理的工艺! i ：产流 程。初轧过程巾一般小号h 型铡多选用方坯，大号h 型钢多选用异形坯，方坯和 升形坏多采用连铸坏j 。钢坯在经过精整和称重后，装入步进式加热炉中加热到 1 2 0 0 1 2 5 0 m 炉。少进式炉大多数采用坝绝热泔轨和轴流式烧嘴，可对不同规格 钢坯提供最佳的温度控制，并节约燃料。铡坷拙炉后，先川1 8 0 0 m p a 的高压水除 磷，然后被送入，1 ：坯机轧制。丌坯机一般为两辊可逆式轧机，在j 下坯机上需要轧 制7 - i3 道左右，然后轧件被送往热锯，热锯只负责切去头尾未成形部分。虽后再 把轧件送入万能组轧机轧制，一般轧制数道后送入万能精轧机，对初轧后的产品 进行进一步修整。这时还要再次切头去尾，并按订货要求把轧件切成定尺氏度再 送往冷床冷却3 i 。由于hj 【 【! 钢腿厚与腰厚之比较大，若采用平放容易囚腰腿冷却 速度不致，造成腰部波浪，故一般多采用立玲| l “。现在多采用步进式冷床，这 不仅可以减少原来用链式拖运机构造成的缺陷，而且容易控制钢材冷却速度。经 过冷却后的h 型钢被送入矫卣机矫直机。由于h 型钢断面模数较大，一般都采用 8 辊或9 辊式矫直机矫直矫直辊间距最大可达2 2 0 0 m m ，同时还需用卧矫进行补 充矫直。钢材经矫直后被送到检查台检查尺寸、外形和表面质量，井根据标准做 出标志，然后按不蚓等级、不h 长度进行分类、堆垛和打捆后送入仓库。对小合 格品按处理品进行重矫后，丌 玲锯切断或修磨、焊补后再重新检查。 为提高轧机作业率、减少换辊时间，人多数厂采用快速换辊系统，即在生产 的同时预先把下个品种所需轧辊组装好。在换辊时只要把全部原机架拙出换 上已装好的新机架即可。每个机架都装有一个自动电器接线，以及冷却水、稀油 和1 1 油管接头以及连接丰t 的定位连接装簧。该装置拆接方便、迅速，整个换辊时 m2 0 m i n 。 为对生产 一艺流程进行有效控制，现代化的h 型钢厂都采g l ；, t 算机控制。一 般是i 级控制系统，第一级用于生产组织管理，采用大型计算机进行d d c 控制( 直 接数宁控制) ；第二级是x , , t ( k j “过程的控制，及过程控制。过程控制计算机一般分 阿线控制，一线控制丰j j 轧作业区，一线控制精整作业医；第三级是对辞逆i 。序的 控制，包括对加热、轧制、锯切等工序的控制，一般采用微型机进行控制】。各 l 序微型机反应的t e 产信息通过叶1 间计算机反应给各自的过程控制机，经过程控 制机汇总分析后反映给中央控制机，中央控制机再根据生产标准要求发出下一步 调整和控制的指令。 生产h 型钢的主体设备为万能轧机，每套机架数可以分为架、两架、三架 或者多架，其布臀型式可以分为非连续式、半连续式和连续式。幽内厂家多采用 半连续布置型式，其典型q ：产工艺流程为：连铸坯或钢锭一加热一丰j 轧一锯切头 尾一“能机轧或型钢轧机轧制一精轧机轧制一冷却一辊矫一检套、分选一榆彘、 打e 、堆垛一打拥_ 产品。罔i4 为h 型钢生产流程主要环竹的示意图。 型锕工艺醒即 o - o - 0 需- 一- 穆- 皤 砖巾 情炼铲j e k 2 万：i 1 日托炉 订轧 一i ! j e 轧饥 嚏静- 吣 i i 琶崖轧扎 辄锯 妒耥翅舅p 停昧辩直产品 h i4 热轧 i 俐牛j + t 盘“小恧i - q 1 1 30 8 年h 型钢的市场需求状况 0 8 年上半年国内主要钢材市场的有效需求在明显放大，特别是北方市场区域 的工程丌工已经仝面铺丌，钢材总需求量在明显增加，西北市场、东北市场的需 求也开始全面启动，钢材产品的消费需求大量增加，考虑到钢厂的生产市场投放 虽，可以预见热轧h 型铡市场的需求是相当旺盛的，这有利于热轧h 型钢市场价 山东大学硕士学位论文 格的稳定【1 6 】。这次汶川特大地震发生后，对国内整个建筑行业理念将产生重大影 响，热轧h 型钢具有施工方便，结构自重轻，抗震能力强的特点，将有助于今后 热轧h 型钢的推广使用。目前h 型钢的价格在国际市场还是比较稳定的。2 0 0 5 年 以后，随着国内市场h 型钢产能的迅速增长，国内再次形成供大于求的情况，我 国h 型钢再次大量出口，进口急剧缩小，重新成为h 型钢的净出口国，预计2 0 0 8 年出口h 型钢将超过2 5 0 万吨。从长远看，h 型钢作为很有潜力的钢材品种，未 来的热轧h 型钢出口市场仍然是一个重要的调节市场。虽然国内热轧h 型钢产能 继续增加，供大于求的现象继续存在，但热轧h 型钢是国家产业政策鼓励发展的 产品，未来需求肯定会有很大增长，特别是随着钢结构在我国快速发展，也必将 拉动h 型钢的需求。尤其是灾后重建和国家基础建设等各方面利好因素的促使下， 市场的需求将会有一个放量。 1 1 4h 型钢的发展趋势 为了满足经济的不断发展和人民生活水平的不断提高，对h 型钢的外形和材 料的强度、刚性、韧性等性能要求也不断提高。目前的产品规格还应该进一步满 足工程需要。尽管国内已可以生产h 1 0 0 h 7 0 0 系列产品，但产品仅能覆盖国标中 3 7 种型号7 4 个规格中的6 4 个规格，仍有l o 个规格不能生产。对于采用高强度螺 栓联结的构件，希望能提供外缘尺寸一定的h 型钢，以方便施工，但目前生产厂 还无法满足这一要求，只能继续用钢板焊接来解决。随着鞍山一轧、马钢、莱钢h 型钢生产线的陆续投产，已具备向市场提供h 1 0 0 7 0 0 系列热轧h 型钢的能力， 且产品质量完全可与进口产品想媲美。除普通技术要求的常规产品外，各企业还 在有特殊性能要求的产品开发上进行投入，马钢的产品已进入铁道行业用于车辆 和桥梁制造，海上石油平台及高层建筑用h 型钢正在试制中。 1 2h 型钢的国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 奚铁，钱奕峰等人借助有限元分析软件m s c s u p e r f o r m 2 0 0 2 对h 型钢开坯轧 制进行了模拟【1 7 】。分析了金属变形特点和轧件充满情况。 崔振山，刘才等人应用热力耦合大变形有限元方法，模拟了h 型钢的热轧变形 过程，给出了轧制力的大小及其分布方式。数值模拟结果表明h 型钢腹板与翼缘外 4 第1 章绪论 表面单位轧制力的最大值一般均出现在出口处的截面附近，且前者比后者大得多。 此外，模拟计算值与实测值比较接近，从而证明了本模拟计算方法的正确性【1 8 1 。 朱旭光，赵学武等借助有限元分析软件m s c s u p e r f o 珈2 0 0 4 对h 型钢万能轧 制进行了模拟，着重讨论了轧件的万能轧制不同阶段，宽展在孔型中的变化规律， 由模拟结果可知万能孔型中轧件翼缘的端部，不接触轧辊；变形主要靠变形渗透， 变形量很小；且变形渗透随道次的增加而明显。合理制定万能压下规程对翼缘压 下量的设定可以对翼缘端部的宽展进行有效的控制1 1 9 1 。 周维海，李殿中在他们的研究中采用弹塑性大变形热力耦合有限元法模拟板 带热轧过程。对比模拟结果与实测结果得知，模拟结果具有很高的精度。他们采 用大型有限元分析软件m a r c ，在两个对称面上施加约束条件，将轧件视为变形体， 而将轧辊视为刚性体。材料的热物理性能( 热传导系数，热容和热膨胀系数) 是 随温度变化的。材料的变形抗力表征金属合金塑性a n t 性能的一个最基本的物理 量 2 0 1 。 阎军和鹿守理等研究了板带轧制过程温度及其影响因素，他们认为大变形弹 塑性热力耦合有限元方法可用于模拟分析型钢热轧变形和温度场计算，模拟计算 结果和实测结果是基本一致的。通过模拟计算可以准确掌握轧制过程中温度的变 化规律。在速度较快的变形过程中。接触热传导和塑性变形温升是影响变形区中 轧件温度的主要原因，二者的综合作用结果决定了轧件各点的温度变化规律1 2 1 1 。 熊尚武等采用全三维刚塑性有限元法对室温下的铝板和不同温度下的2 s - h i 板平辊立轧稳定变形过程进行了解析，在计算中假设平辊为刚体，采用库仑摩擦 定律，分析了立轧过程中轧件金属质点的流动趋势。瞄】。 中科院金属研究所在国家9 7 3 项目的支持下，开展了了组织性能预报工作， 结合工艺和物理冶金模型，开发了r o l l a n 软件，现在已在鞍钢1 7 8 0 线上使用， 其离线预报误差可以满足免检( 或抽检) 的需求，为提高轧钢控制水平、优化工 艺参数起到了不可替代的作用。东北大学、北京科技大学、北京钢铁研究院总院 等科研单位在带钢热轧过程组织性能预测技术的开发方面做了很多的工作。组织 性能预报工作存在的主要问题是精度不是十分理想，对于c m n 钢和微合金钢能够 满足少检甚至免检的要求，但对于合金钢，如管线钢，预报还有难度。 5 山东大学硕七学何论文 燕山大学的张文志和周庆田等人用解析方法计算出了h 型钢里面温度场的分 布，他们通过热力学的计算公式并且结合h 型钢的形状特点，给出了新的h 型钢 计算公式1 2 3 1 。 1 2 2 国外研究现状 j i n gl i 和j c m l i 等研究了在磨削加工中工件的温度分布，他们采用了大型 有限元分析软件a b a q u s 进行分析。将数据结果与实验结果进行对比，发现模拟 计算的结果与实际结果非常接近，因此他们认为使用有限元分析轧制过程对改善 工件轧制工艺具有一定的指导意义【2 4 1 。 m j a n i k 和h d y j a 用商业软件a n s y s 得出了钢铁在连铸时温度场在工件中的 分布，他们采用三维有限元分析方法，耦合了微观焓变和热传导两个参数的双重 非线形问题【2 5 1 。 k a z u t a k ek o m o r i 利用有限元方法模拟了多道次三轧辊轧制时轧件的变形与温 度的分布，得到各轧机对轧件变形及温度的影响2 6 1 。 m a d a k a s i r ap r a b h a k a rp h a n i r a j 和b i n o db i h a r ib e h e r a 等人用大型商业软件 d e f o r m h t 分析了薄板连轧时的应力应变，在他们的分析中考虑了热交换，热 容对轧件温度变化的影响【2 7 1 。 a h a c q u i n e m o n t m i t o n n 和j pg u i l l e r a u l t 在有限元法中建立了刚粘塑性模型， 利用刚粘塑性有限元法分析了中厚板轧制时的轧件的变形。他们指出刚粘塑性性 有限元不仅能按照变形路径得到塑性区的变化情况，变形体内质点的流动，工件 中的应力，应变分布规律的大小，以及几何路径的变化，而且还能有效的处理卸 载问题，特别是可以计算残余应力和残余应变，从而可以更精确的分析产品的缺 陷及防止产生缺陷问题，这些优点是其它方法所不及的。但从计算角度来看，弹 塑性有限元法要考虑历史的相关性，采用增量加载，每一增量步中都必须作弹性 计算，来判断原来处于弹性区域的单元是否已进入屈服，对进入屈服的单元采用 弹塑性本构关系，为提高计算精度，不希望在一次增量加载中有过多的单元进入 屈服，所以增量步长不能太大，另外，采用增量理论时，一般也不允许使用大的 变形增量，这样会造成计算工作量大，计算时间长。粘塑性有限元法，在金属塑 性加工成形过程中，材料不仅表现出具有塑性，同时也表现出具有粘性。因此人 6 第1 章绪论 们提出了粘塑性材料模型，在高应变速率下的金属材料一般作为弹粘塑性处理。 如果弹性变形较小，则作为刚粘塑性处理1 2 s j 。 由格拉茨大学b u c h m a y r 博士研究小组进行的相关研究的基础上，有奥钢联工 程技术公司( v a i ) 和奥钢联钢铁公司林茨厂合作开发了v a i q 带钢预测系统软件， 能对带钢进行多点的质量预测。该系统的核心是用物理冶金模型对轧制工艺相关 的微观组织变化( 如加热过程中的奥氏体化，轧制过程中的再结晶和晶粒张大， 以及带钢冷却过程中奥氏体相到铁素体相的转变过程) 进行描述。根据粗轧后的 温度情况，通过轧制和冷却段的设定可以计算出性能，然后通过调整卷取温度和 精轧温度来补偿与目标力学性能的偏差。奥钢联厂通过采用v a i q 带钢预测系统， 极大地减少了占公司带钢年产量7 5 的碳钢抗拉强度检测的数量 2 9 - 3 0 1 。 比利时c r m 公司和德国蒂森公司开发了s t r i p c a m 的热轧带钢预测系统。用 f o r t r a n 语言编写了该系统的物理冶金子程序，用v i s u a lb a s i c 编写了用户界面， 在p c 机上运行，结果采用了m i c r o s o f te x c e l 的形式，根据用户的要求不同，计算 时间在2 0 s 到1 0 m i n 之间变化，并且软件界面友好、易于操作1 3 l 】。 西门子公司开发了热轧带钢组织性能预测的商业软件西门子微观组织检 测系统。和v a i q 和m e t m o d e l 一样，该系统用物理冶金模型描述了热轧带钢的组 织演变过程，在计算最终的性能时，采用神经元网络的方法。这套系统既可以在 线控制，又可以作离线研究。并且在离线系统中集成了专家系统的功能。在德国 的赫施霍恩林堡公司热轧板厂中对中厚板进行了测试，对抗拉强度在 3 0 0 8 5 0 m p a 范围内的带钢预测结果还是相对准确的1 3 2 1 。 英钢联开发了一套m e t m o d e l 的热轧模拟软件。既可以用于离线研究，又可以 用作在线控制。其优点是可以根据公司生产的需求校对和调整模型并用此来开发 新的钢种，同时当性能出现波动时可以较好的分析其原因，另外可以根据用户的 要求，利用相同的化学成分，通过调整轧制工艺参数来实现其要求的功能3 3 训。 韩国浦项公司( p o s c o ) 将热轧板的力学性能测试系统看成两个系统：质量 预测系统和控制系统。通过自动检测并迅速和工艺条件进行校对使热轧板的性能 更加稳定【3 7 1 。 7 山东大学硕十学位论文 1 2 3h 型钢仿真研究的发展趋势 ( 1 )以有限元为代表的数值模拟方法的应用 金属塑性成形过程是一个复杂的弹塑性大变形过程，该过程涉及几何非线性、 材料非线性、边界条件非线性等一系列问题。影响成形的因素有很多，如模具和 毛坯形状、材料特性、摩擦与润滑、加工温度以及工艺参数等等，因此若工艺分 析不完善，模具设计不合理或材料选择不当，则会造成产品达不到质量要求，造 成大量的次品和废品，在传统工艺分析和模具设计中，主要还是依靠工程类比和 设计经验，经过反复试模修模、调增工艺参数，以期望消除成形过程中的产品缺 陷，如失稳起皱、充填不满、局部破裂等。仅仅依靠类比和传统经验工艺分析和 模具设计方法已无法满足高速发展的现代金属加工工业的要求。因此，现代金属 成形工艺分析过程中，建立适当的“过程模拟”非常重要。随着计算机技术的发 展，人们已经认识到数值模拟在金属成形工程中的总要价值，这一领域已成为现 代国内外学者的研究热点。应用塑性成形的数值模拟方法主要有上限元法( u p p e r b o u n dm e t h o d ) 、边界元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ) 和有限元法( f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ) 。上限元法常用于分析较为简单的稳态变形问题；而边界元法主要用于模 具设计分析和温度计算；对于大变形的体积成形和板料成形，变形过程常呈非稳 态，形状、边界、材料性质等都会发生很大的变化，有限元方法可由实验和理论 方法给出的本构关系、边界条件、摩擦关系式、按变分原理推导出方程，根据离 散技术建立计算模型，从而实现对复杂成形问题进行数值模拟，分析成形过程中 的应力应变分布及其变化规律，因此提供较为可靠的主要成形工艺参数。基于有 限元法的塑性成形技术是当前国际上极具发展潜力的成形技术前沿研究课题之一 【3 8 】 o ( 2 ) 金属微观组织的动力学模型的建立 实现钢的微观组织模型和力学性能预报的关键是建立能够准确描述生产过程 中各个物理冶金关系的数学模型。近年来研究者在这方面开展了大量的工作，已 经建立了相关的物理冶金模型【3 9 4 5 1 。按照现在的思路，型钢热轧过程微观组织模 拟和力学性能预报模型应该由下列基本模块组成 4 6 1 ： 1 坯料加热过程的温度演变和晶粒长大动力学模型； 8 第1 荤绪论 2 粗、精轧过程的温度、应力、应变和再结晶预报模型； 3 道次间隙的温度演变和晶粒长大动力学模型； 4 冷却过程的温度演变和相变模型； 5 微观组织和力学性能的定量关系模型； 为了分析轧制过程中奥氏体微观组织的变化、再结晶分数等微观特征，必须 将特定的模型嵌入通用的商用有限元软件中，主要包括：进行材料的高温变形抗 力实验、材料应力应变模型的确定和验证，奥氏体再结晶模型的验证、用户子程 序的编写、调试等，将已经建立热力耦合的有限元模型与晶粒微观组织的演化的 数学模型相结合，从而将微观组织演化情况借助有限元模型应力应变场及温度场 分布以云图的形式表现出来，从而拓宽了有限元的应用领域。 ( 3 ) h 型钢生产工艺参数预测系统的开发 随着计算机技术的飞速发展和材料领域理论、实验研究的重大突破，研究人 员基于成分、工艺、组织与性能的四面体模型，对比带钢热轧过程进行了组织与 性能模拟预报工作，开发了离线与在线的模拟系统，些国家已经成功的开发了 钢的组织性能计算机控制系统如v a i q ，s l i m m e r ，c a n m e t ，m e t m o d e l ， s t r i p c a m ，h s m m 等，并成功的应用于带钢热轧生产线h 7 巧1 1 。日后国内钢厂也 会逐渐开发适合各厂产品的预测系统。 1 3 课题研究的目的及价值 1 3 1 课题研究的目的 h 型钢的轧制工艺相当复杂，在变形过程中影响金属流动的情况的因素非常 多，而金属流动的情况的变化有进一步影响轧机轧制力、轧件的宽展、前后滑和 纵向延伸率等参数，并最终体现在产品缺陷上，为控制轧件质量，需要在轧制之 前了解并分析* l * j j 过程中金属变化规律。同时轧制过程中，金属材料的微观组织 的变化情况将直接影响到轧制结束后轧件冷却过程中形成的晶粒度的大小，需要 分析其轧制过程中奥氏体晶粒的演化尤其是奥氏体动态再结晶过程的演变过程并 建立起相应的奥氏体动态再结晶数学模型。为了满足工厂实际生产中的需要，使 生产技术人员能够更快更好的直接应用有限元的分析结果而非耗费大量的精力进 行有限元的分析和计算工作，这就要求将有限元的分析结果进行处理，拟合出轧 9 山东大学硕士学位论文 制力和温度的预测公式，并以v b 程序开发出可视化的生产平台，以便于技术人员 只需输入相关的生产工艺参数，就可以大致预测轧制过程中的受力和温度变化情 况。综上所述，本研究主要以商用有限元软件为工具，模拟h 型钢* l n 中的精轧 过程，得到精轧过程中的各物理参数，并以此为基础分析轧制过程中的微观组织 演变。最终利用v b 编程，结合仿真结果，进行可视化仿真，开发出h 型钢生产 工艺参数的离线预测系统。 1 3 2 课题研究的价值 ( 1 ) h 型钢与工字钢相比的优势明显。与普通工字钢相比，相同重量时截面模 量大，具有更好的抗弯能力，符合建设经济节约型社会的潮流。h 型钢应用广泛， 便于进行各种机械加工和焊接作业，在高层建筑、高速公路、飞机、停车坪、导 弹发射架、桥梁等巨型建筑上体现的优势更加明显。h 型钢在我国钢梁产量中不 断上升，但先进的生产设备主要靠进口，自身的核心技术较少。 ( 2 ) 准确掌握h 型钢在$ l n 过程中的金属流动规律，应力应变场分布，温度分 布是认识和解决轧制过程中h 型钢成型规律，缺陷发生原因，轧制力等参数大小 等的基础。 ( 3 ) 为了提高产品力学性能，需要通过微观组织模型得到金属晶粒演变过程的 预报结果，从而能够在热加工过程中调整工艺参数控制晶粒大小，细化微观组织。 ( 4 ) 利用v b 开发出虚拟结果的仿真平台，便于技术人员快速得到仿真结果， 省去了复杂的模拟过程，有效缩短了开发周期。在钢铁行业中，把有限元数值计 算与虚拟设计结合起来，提高孔型设计的准确性，减少了钢铁新产品的开发费用， 缩短了产品的研发周期，能够带来巨大的经济效益。 1 4 课题的来源及主要内容 本课题结合山东省科技创新项目：热轧h 型钢生产线虚拟技术研究( 项目编 号：2 0 0 3 1 8 2 ) 。其主要研究内容为： ( 1 ) 使用g l e e b l e 一1 5 0 0 热模拟实验机进行圆柱式样的压缩实验测得h 型钢在高 温条件下应力应变数据。 ( 2 ) 借鉴开坯过程中的有限元模型建立精轧过程的有限元模型，分析轧制过程 中的应力应变分布情况以及温度场的分布情况。 1 0 第1 章绪论 ( 3 ) 利用金相显微镜进行微观组织的金相观测实验，用g l e e b l e 1 5 0 0 实验机在 不同温度，不同应变速率下压缩过式样制备观测式样，测得其动态再结晶的奥氏 体晶粒的大小，以此为基础建立奥氏体动态再结晶的数学模型。并利用a b a q u s 中 v u m a t 子程序将微观组织数学模型嵌入有限元计算过程中。 ( 4 ) 应用有限元分析的结果拟和生产中各轧制道次的轧制力和温度的公式，并 应用以上公式及v b 软件进行h 型钢生产工艺参数预测系统的开发。 第2 章h 型钢热轧过程的有限元仿真模型 第2 章h 型钢热轧过程的有限元仿真模型 2 1 引言 轧件的变形与其孔型之间的关系是孔型设计及轧制工艺参数设置的决定因 素。然而h 型钢的热轧变形过程异常复杂，在万能轧机孔型中，由于翼缘与腹板 的变形相互影响，在加上温度场的变化等其它因素的影响，给轧制变形的解析造 成极大困难。h 型钢热轧过程的有限元仿真模型的建立是分析其轧制过程中应力 应变分布规律及温度场分布规律的有效解决方案，同时其结果的获得也为晶粒演 化过程的预测提供了有效的宏观数据。 2 2 数值模拟方法 2 2 1 数值模拟的概念 数值模拟也叫计算机模拟。它以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显 示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界问题研究的目的。比如某一特 定机翼的绕流，通过计算并将其计算结果在荧光屏上显示，可以看到流场的各种 细节：如激波是否存在，它的位置、强度、流动的分离、表面的压力分布、受力 大小及其随时间的变化等。通过上述方法，人们可以清楚的看到激波的运动、涡 的生成与传播。总之数值模拟可以形象地再现流动情景，与做实验没有什么区别。 由于数值模拟技术计算精度和可靠性高，其计算结果已经成为各类工程问题分析 的依据。数值模拟把计算力学的理论成果、算法转换为工程实际问题，将最新的 计算机技术、软件工具、算法和工程知识结合在一起，对教学、科研、设计、生 产、管理、决策等都有很大的应用价值，为此世界各国均投入了相当多的资金和 人力进行研究。 2 2 2 有限元方法 有限元法是一种高效能、常用的计算方法。有限元法在早期是以变分原理为 基础发展起来的，所以它广泛地应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类 物理方程中( 这类场与泛函的极值问题有紧密的联系) 。自从1 9 6 9 年以来，某些 学者在流体力学中应用加权余数法中的迦辽金法( g a l e r k i n ) 或最小二乘法等同样获 得了有限元方程，因而有限元法可应用于以任何微分方程所描述的各类物理量中， 山东大学硕十学位论文 而不再要求这类物理场和泛函的极值有所联系。其基本思想为把由解给定的泊松 方程化为求解泛函的极值问题。 标准的有限元步骤可以简要的总结如下【5 2 1 。 步骤1 ：剖分 将待解区域进行分割，离散成有限个元素的集合。元素( 单元) 的形状原则 上是任意的。二维问题一般采用三角形单元或矩形单元，三维空间可采用四面体 或多面体等。每个单元的顶点成为节点( 或结点) 。 步骤2 ：单元分析 进行分片插值，即将分割单元中任意点的未知函数用该分割单元中形状函数 及离散网格点上的函数值展开，即建立一个线性插值函数。 步骤3 ：求解近似变分方程 用有限个单元将连续体离散化，通过对有限个单元作为分片插值求解各种力 学、物理问题的一种数值方法。有限元法把连续体离散成有限个单元：杆系结构 的单元是每一个杆件；连续体的单元是各种形状( 如三角形、四边形、六面体等) 的单元体。每个单元的场函数是只包含有限个待定节点参量的简单场函数，这些 单元场函数的集合就能近似代表整个连续体的场函数。根据能量方程或加权残量 方程可建立有限个待定参量的代数方程组，求解此离散方程组就得到有限元法的 数值解。有限元法已被用于求解线性和非线性问题，并建立了各种有限元模型， 如协调、不协调、混合、杂交、拟协单元等。 从有限元的基本方法派生出来的方法很多，则称为三维单元。有限条法、边 界元法、杂交元法、非协调元法、拟协调元法、用以解决特殊问题。 2 2 3 商用有限元分析软件的比较 大型通用有限元软件一般包括结构静力分析，动力分析，稳定性以及非线性 分析等，有的还包括热传导，热应力，流体等分析，有齐全的单元库。著名的大 型有限元分析软件有a b a q u s ，m a r c ，a n s y s 等，他们大都采用f o r t r a n 作为开发语言，允许用户将自己编写的子程序与代码程序连接在一起，以得到理 想的结果。 a b a q u s 是著名的非线性有限元软件，具有卓越的非线性计算能力。该软件 1 4 第2 章h 犁钢热轧过程的有限元仿真模型 的功能适用的场合非常广泛，方程的求解方法可以分为显式和隐式两种，并具有 显式动力学求解器，能够快速的处理动力学问题【5 3 1 。 m a r c 软件一直得到学术界和工业界的大力推崇和广泛应用，它是功能齐全 的高级非线性有限元软件，可以处理各种线性和非线性结构分析，但是它主要采 用隐式求解方法。美国通用公司一直采用m a r c 公司的产品做汽车的碰撞模拟分 析，这样就取代了传统的真实汽车模拟碰撞，节约了成本，提高了安全性，取得 了非常满意的效果【蚓。 美国的a n s y s 软件有强大的前处理能力、强大的加载处理能力和强大的后处 理能力，开发了与著名的c a d 软件的数据接口，从算法上软件主要采取隐式算法。 由于其合理的报价，很好的适用性，所以a n s y s 公司软件在我国有着最广泛的用 户群【5 5 】。 2 2 4 选用有限元软件a b a q u s 在本项目中的优势 对于多道次的型钢轧制，如果要实验新的产品或者改进轧制规程，需要多次 试轧，这不仅需要耗费大量的人力和物力，还影响钢铁企业生产的进度。用有限 元方法模拟型钢轧制过程，可以提前预知轧制过程中的金属流动情况，应力应变 场的分布和轧制压力等参数，这样可以在试轧之前预知轧制情况，有利于提高试 轧效率，缩短试轧时间，减少试轧费用。 a b a q u s e x p l i c i t 是采用显示动力学有限元法的求解器，它能大大节省复杂三 维有限元模型的计算