（机械设计及理论专业论文）h型钢bd热轧工艺综合仿真系统开发.pdf

摘要 摘要 h 型钢是一种截面面积分配更加优化、强重比更加合理的断面型材，在国民 经济建设中的作用日益增强。h 型钢的热轧工艺属于非线性塑性大变形过程，难 以用准确的数学模型进行求解。随着计算机性能的提高，有限元法已被越来越多 地应用到型钢热轧工艺的模拟。目前，针对h 型钢热轧工艺的数值仿真多是采用 大型商业有限元软件，如a n s y s ，a b a q u s 以及m a r c 等。由于软件自身的通用 性，以及工艺涉及多个道次往复s l 带t j 和热连轧过程，所以造成仿真前处理建模繁 琐、道次间网格重构困难以及后处理信息提取不便的问题。为了解决以上问题， 本文构建了针对h 型钢热轧工艺的综合仿真系统。该系统完成了轧制过程即时信 息的提取，实现了整个轧制过程的信息透明化，对于热轧生产工艺的改进以及新 钢种产品的开发具有重要的指导意义。本文完成的主要研究工作如下： 基于商业有限元软件a b a q u s 显式求解器，利用弹塑性有限元理论，模拟h 型钢各道次瞬态轧制过程，通过软件脚本接口进行前、后处理的开发，构建针对 轧制工艺的仿真系统。 以b d 粗轧往复轧制工艺为研究对象，仿真系统采用自定制应用程序的方式， 在构建用户c a e 主界面的基础上，通过p y t h o n 脚本程序构建前后处理模块及对应 的图形用户界面。仿真系统瞬态轧制前处理实现了轧件建模、材料属性赋值、轧 制模型装配、网格划分、接触属性和边界条件施加等操作的参数化设计，对应的 图形用户界面用于重要工艺参数的修改或输入，自动完成各种型号中型h 型钢各 个s l n 道次的任务提交。针对不同道次间大塑性变形引起的网格畸变问题，仿真 系统通过嵌入网格重构程序，自动进行稳态探测以及拾取轧件边界重构网格，实 现了温度、应力和等效塑性应变等s l n 信息的准确传递。仿真系统后处理中，用 户可以方便地选择所要输出的参数，实现每一道次和道次间隙之后即时信息的提 取。进行了轧制现场数据采集，将系统自动提取得到的各道次温度场分布和轧制 载荷数据同现场测量数据对比，轧制表面温度误差控制在5 以内，而s l 常j j 载荷基 本反映轧制力变化的规律，验证了系统的可靠性和准确性。 关键词h 型钢；b d 粗轧工艺；仿真系统；网格重构 2 0 1 0 山东省科技发展计划项目( 编号：2 0 l o g g x l 0 4 2 1 ) a b s t r a c t a b s t r a c t h b e a mi so n ek i n do fs h a p e ds t e e l sw i t l lm o r es u p e r i o rc r o s s s e c t i o np r o p e r t i e s a n dr a t i oo fs t r e n g t ht ow e i g h t ，w h i c hb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nn a t i o n a l e c o n o m i cc o n s t r u c t i o n h - b e a mh o tr o l l i n gi sah i g h l yn o n l i n e a rp l a s t i cl a r g e d e f o r m a t i o np r o c e s s ，w h i c hi sq u i t ed i f f i c u l tt ob ed e s c r i b e db ya n a l y t i c a lm o d e l s w i t h t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rp e r f o r m a n c e ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o dh a sb e e nw i d e l yu s e d t os i m u l a t eh b e a mh o tr o l l i n gp r o c e s s e s a tp r e s e n t ，p o w e r f u lc o m m e r c i a lf e m s o f t w a r e ，s u c ha sa n s y s ，a b a q u s ，a n dm a r ca r ea l w a y sa d o p t e dt os i m u l a t et h e r o l l i n gp r o c e s s e s o na c c o u n to fu n i v e r s a l i t yo ft h e s es o f t w a r ea n dc o m p l e x i t yo fh o t r o l l i n gp r o c e s s e si n v o l v i n gr e c i p r o c a la n dc o n t i n u o u sr o l l i n g ，p r o b l e m st h a t i n c l u d e c o m p l i c a t e dj o b s i n p r e p r o c e s s i n g ，d i f f i c u l t i e s i n r e m e s h i n g a n di n c o n v e n i e n t i n f o r m a t i o ne x t r a c t i o ni np o s t p r o c e s s i n ga r i s e i no r d e rt o s o l v et h ep r o b l e m s m e n t i o n e da b o v e ，a ni n t e g r a t e ds i m u l a t i o ns y s t e ms p e c i f i ct oh - b e a mh o tr o l l i n g p r o c e s s e sw a sd e s i g n e d i n t h i st h e s i s t h ed e v e l o p m e n to ft h es y s t e me n a b l e dt h e e x t r a c t i o no fi n s t a n tr o l l i n gi n f o r m a t i o na n dm a d et h ei n f o r m a t i o nq u i t ec l e a ri nt h e w h o l ep r o c e s s e so fh o tr o l l i n g ，w h i c hw a ss i g n i f i c a n tt ot h ei m p r o v e m e n to fp r e s e n t p r o c e s s e so fh o tr o l l i n ga n dd e v e l o p m e n to fn e wt y p e so fs t e e l s t h em a i nr e s e a r c h t a s k si nt h i st h e s i sa l ea sf o l l o w s ： b a s e do nc o m m e r c i a lf e ms o f t w a r ea b a q u s e x p l i c i ts o l v e ra n de l a s t i c - p l a s t i c f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t r a n s i e n tr o l l i n go fh - b e a mi ne a c hp a s sc o u l db es i m u l a t e d p r e p r o c e s s i n ga n dp o s t p r o c e s s i n gw e r ed e v e l o p e db ya b a q u ss c r i p t i n gi n t e r f a c e ， a n da r o l l i n gs i m u l a t i o ns y s t e mw a sc o n s t r u c t e d t a k eb dr o u g hr o l l i n gw i t hr e c i p r o c a t i n gm o v e m e n ta st h es u b j e c t s ，a n dt h e s y s t e ma d o p t e dt h ew a y o fc u s t o m i z i n ga p p l i c a t i o n s ，w h i c hm e a n to nt h eb a s i so fc a e u s e r s m a i nw i n d o w , p r o g r a m sw i t hs c r i p t i n gl a n g u a g ep y t h o nw o u l db eu s e dt o e s t a b l i s hm o d u l e so fp r e - p r o c e s s i n g ，p o s t p r o c e s s i n ga n dc o r r e s p o n d i n gg r a p h i c a lu s e r i n t e r f a c e i nt h ep r e p r o c e s s i n go fs i m u l a t i o ns y s t e m ，m o d e l i n g ，m a t e r i a lp r o p e r t y , a s s e m b l i n g ，s e e dm e s h i n g ，c o n t a c ta n db o u n d a r yc o n d i t i o nc o u l db ea c h i e v e dw i t h 1 1 1 p a r a m e t r i cd e s i g n ，a n di m p o r t a n tp r o c e s sp a r a m e t e r sw o u l db ei n p u ta n dm o d i f i e di n c o r r e s p o n d i n gg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ，j o b sw o u l db es u b m i t t e da u t o m a t i c a l l yf o r v a r i o u st y p e sm e d i u m s i z e dh - b e a mi ne a c hr o l l i n gp a s s p r o g r a m sw i t hr e m e s h i n g t e c h n i q u ew e r ei m p l e m e n t e dt os o l v et h ep r o b l e mo fm e s hd i s t o r t i o nc a u s e db yl a r g e p l a s t i cd e f o r m a t i o ni nt h ei n t e r - p a s so ft h es i m u l a t i o ns y s t e m ，w h i c hc o u l dc a r r yo u tt h e d e t e c t i o no f s t e a d ys t a t e ，c o l l e c t i o no fb o u n d a r i e so fw o r k p i e c ea n da c c u r a t e t r a n s m i s s i o no fp a r a m e t e r sl i k e t e m p e r a t u r ea n de q u i v a l e n tp l a s t i cs t r a i n i nt h e p o s t 。p r o c e s s i n go fs i m u l a t i o ns y s t e m ，u s e r sc o u l dc h o o s eo u t p u tp a r a m e t e r st h e y w a n t e d ，a n de x t r a c t i o no fi n s t a n tr o l l i n gi n f o r m a t i o ni ne v e r yp a s sa n di n t e r - p a s sw o u l d b ec o m p l e t e d c o m p a r et h ed i s t r i b u t i o no f t e m p e r a t u r ea n dd a t ao fr o l l i n gf o r c ei ne a c h p a s st om e a s u r e dd a t a , a n dt h er e l a t i v ee r r o ro fs u r f a c et e m p e r a t u r ei sl e s st h a n5 ，d a t a o fr o l l i n gf o r c eb a s i c a l l yr e f l e c tt h et e n d e n c y ，a n dt h es y s t e mi sv e r i f i e dr e l i a b l ya n d a c c u r a t e l y k e yw o r d sh - b e a m ；b dr o u g hr o l l i n g ；s i m u l a t i o ns y s t e m ；r e - m e s h i n gt e c h n i q u e i v 第1 章绪论 1 1 热轧h 型钢特点及发展 1 1 1h 型钢特点 第1 章绪论 h 型钢相比普通工字钢，截面模数大、抗弯能力强、结构重量轻，同时又因 其翼缘内# i - n 平行，腹板端部为直角，拼装组合成构件，可节约大量的焊接、铆 接工作量【1 】。h 型钢是近年来我国提倡发展的经济性钢铁产品之一，在高层建筑、 工业厂房、火力发电、机械制造、起重机械、石油化工及海洋工程等行业得到了 越来越广泛的应用【湖，如图1 1 所示为h 型钢产品。 图1 1 生产车间h 型钢 h 型钢的生产方式有焊接和轧制两种。焊接h 型钢是将厚度合适的带钢裁成 合适的宽度，在连续式焊接机组上将边部和腰部焊接在一起，这种生产方式存在 金属消耗量大、生产的经济效益低以及不易保证产品性能均匀等缺点，所以h 型 钢生产多以轧制生产为主。轧制h 型钢是采用轧机对坯料进行金属压力加工的一 种生产方式，其中又以热轧居岁瑚】。 热轧是相对于冷轧而言的，冷轧是轧制材料再结晶温度以下进行的轧制，而 热轧则是轧制材料再结晶温度以上进行的。热轧时金属塑性变形大，变形抗力较 低，大大减少了金属变形的能量消耗。热轧能够改善金属及合金的加工工艺性能， 山东大学硕士学位论文 将铸造状态的粗大晶粒破碎，减少或消除铸造缺陷，提高合金的加工性能。 i i 2h 型钢发展历史和生产现状 热轧型钢诞生一百多年来，经历了三个发展阶段。第一阶段即普通工字钢， 第二阶段是窄腿h 型钢，第三阶段为宽腿h 型钢。 1 8 5 0 1 8 6 0 年间，万能轧机的出现对于宽腿和平行腿工字钢的生产具有决定作 用。1 8 7 6 年在法国最初使用万能轧机轧制h 型钢，最大的问题是辊底部的挤出现 象，只用单机架轧制无法解决此问题，虽然增加了机架，仍然得不到好的结果。 1 8 9 0 年在美国emb u l t z 开发出了闭式孔型万能轧机，用8 个机架连续轧制道次生 产出了h 型钢产品【9 】。1 9 0 2 年，德国建成了世界上第一台带旋转立辊和单独设置 轧边端机的h 型钢轧机，奠定了h 型钢轧机的基本形式。后续的万能轧机都是基 于此进行改进，这种类型的轧机一直应用到1 9 5 5 年。 自2 0 世纪5 0 年代开始轧制工艺出现了一个飞跃，尤其是在日本，出现了现 代化的万能轧机。2 0 世纪6 0 年代新建万能轧机，多采用连轧方法迅速提高产量； 2 0 世纪7 0 年代通过计算机控制提高了尺寸精度，实现了h 型钢的多机架万能孔 型连轧；2 0 世纪8 0 年代前半段为了适应连铸技术的发展，开始采用连铸板坯和连 铸异形坯轧制h 型钢；2 0 世纪8 0 年代末出现了外部尺寸一定的新形h 型钢【lo 】。 目前，h 型钢的主要生产国家有日本、美国、韩国、法国和中国。 我国自1 9 9 8 年8 月份马钢万能轧机轧出中国的第一根h 型钢以后，h 型钢这 一新型钢材品种在我国进入了一个崭新的时代。我国近年来在h 型钢生产方面， 实现了全线过程控制的功能优化，研发了小变形矫直、在线防锈蚀技术，形成了 包括高效优质h 型钢洁净钢生产技术、高效异形坯连铸技术、万能轧机小张力连 轧和控制轧制等完整的h 型钢生产成套关键技术，处于国际领先水平【l l 】。 i i 3 热轧h 型钢生产流程 热轧h 型钢的生产流程如图1 2 所示，方坯或矩形坯通过输送辊道送入加热 炉中加热，至1 2 0 0 - 一1 2 5 0 c 出炉后经1 8 0 0 m p a 的高压水除鳞，然后被送入开坯机 粗轧。开坯机通常为b d 上下轧辊对轧件进行往复轧制，经过7 1 3 个道次轧件达 到合适的尺寸要求后进入热锯，切去头尾未成形部分，然后送入精轧机进行精扎。 精轧机为万能连轧机，轧件精轧后还要再次切去头尾，并按定货要求把轧件切成 2 第1 章绪论 定尺寸长度再送往冷床冷却。经过冷却后的h 型钢被送入矫直机矫直，然后按不 同等级、不同长度进行分类、堆垛和打捆后送入仓库。 方坯或矩形坯 加热 工 除磷 土 粗轧 二 精轧 _ _ - _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ 生 锯切头尾 二1 二 冷却 _ _ - - - _ _ _ _ 。_ _ - _ 。- _ 童 矫直 产品 加热炉 高压水除鳞装置 b d 轧机 万能轧机和轧边机 热锯 冷床 矫直机 图l 一2 热轧h 型钢生产流程 b d 粗轧开坯往复轧制和精轧热连轧过程在轧制工艺中轧制信息是不透明的， 各个道次的轧制信息难以提取，尤其是轧件内部温度和应力等参数的场变量分布 无法现场测量。通过轧制工艺数值仿真使轧制信息透明化，从而获取轧制过程中 的应力、应变、温度以及轧制力等信息，为新产品开发及轧制工艺优化提供了参 考依据。 1 2 热轧h 型钢轧制工艺仿真研究现状 h 型钢的热轧工艺属于塑性变形过程，相比边界元法和主应力法等，有限元 理论能够全面考虑多种因素对成形过程的影响，如温度、摩擦润滑条件、材料特 性、变形速度以及模具的几何形状等，同时在假设条件较少的前提下提供详尽的 变形力学信息，如应力、应变和温度场的分析，金属的塑性流动规律，成形载荷 等力学参数，这些信息有助于进行工艺过程的优化与控制【l 2 1 。 近年来，国内外学者采用有限元相关理论对于h 型钢的热轧工艺数值模拟进 行了一系列的研究。 3 山东大学硕士学位论文 km o r i 和ko s a k a d a 上世纪9 0 年代初利用刚塑性有限元法分析了三维辊轧成 形模型在稳态轧制时的变形状态。分析中，每一分析步都会对轧制表面的接触节 点进行稳态判断，同时边界条件设置考虑轧件金属流动和轧辊与轧件之间的摩擦。 以棒材和梁的辊轧成形为例，对轧制变形程度、轧制力矩、轧制力分布情况、以 及轧件的应力场和应变场进行了分析和计算【1 3 】。 n a k s o ok i m 和s h i r ok o b a y a s h i 等提出有限元板单元法，开发了t a s k s 程序 用于三维成形辊轧动力稳态过程分析，并对板料成形、简易h 型钢截面以及实际 h 型钢截面进行了数值计算，计算出的金属流动情况与实验数据吻合良好【l4 1 。 东北大学刘相华将刚塑性有限元法应用于分析复杂断面型钢轧制过程的研 究，求解了h 型钢在轧制过程的温度场，并将其应用于h 型钢变形过程的有限元 分析，实现了变形过程与温度分布的联合求解。对刚塑性有限元法中的初速度场 的设定、奇异点、摩擦边界条件等问题的处理方法及技巧做了研究。计算了厚板 平轧、板坯立轧及带凸度板轧制的应力及变形【l5 1 。 k a z u t a k ek o m o r 和k a t s u h i k ok o u m u r a 采用三维刚塑性有限元法分析了h 型 钢轧制过程中的温度场分布，采用二维弹塑性有限元法计算了轧件的残余应力， 经过2 0 道的数值仿真过程，轧件尺寸和温度分布与实际测量数据吻合良好，而残 余应力值与实验数据一致【l 6 。 syk i m 等编制数值分析程序，采用三维有限元模型，基于热粘弹性理论，以 是否带有温度影响的摩擦条件对于不同辊型下的轧制道次进行了分析，求得轧件 温度场和轧制力的分布，所用有限元程序最终扩展到h 型钢的轧制仿真中【1 7 】。 燕山大学张文志等对h 型钢的温度场进行了理论推导，其中分别考虑轧件塑 性变形、轧辊和轧件之间摩擦引起的温度增加，以及轧件因与轧辊发生接触的温 度降低u 引。 刘立忠和张曼翊等采用a n s y s l s d y n a 软件将隐式静力和显式动力两种算 法应用于轧制过程的模拟计算中。结果表明，显式动力分析方法处理大变形接触 问题的能力强，更适合进行大压下量的轧制问题分析，并且由于显式动力分析中 不需要进行迭代计算，故花费在调整计算上的时间较少，另外还具有质量缩放等 技术来缩短计算时间，使其最终的计算效率高于隐式静力分析方法【1 9 】。 奚铁等人借用大型商业软件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，他们取i 4 的毛坯模型，分析了金属变形特点和轧件充满情况1 2 0 1 。 4 第1 章绪论 徐旭东等利用显式动力学有限元技术模拟了h 型钢的热轧变形过程，给出了 各变形参数对轧件尺寸的影响作用。分析结果表明翼缘的宽度、厚度以及翼缘腹 板间的延伸率是轧件变形的主要影响因素1 2 1 j 。 牛海山和赵宪明等利用有限元分析软件a n s y s l s d y n a ，对板坯切分法轧 制h 型钢异型坯料进行了有限元模拟，并且详细介绍了轧制规程、模拟基本参数 确定、有限元模型建立以及网格划分方法。在模拟过程中应用质量放缩和沙漏控 制技术，得到了各道次轧件变形结果及轧制力曲线【2 刁。 段明南和臧勇等讨论了利用m a r c 软件对h 型钢轧制仿真模型中的网格模 型、材料模型和边界条件的设定问题进行研究，并重点讨论了断面上网格的合理 分布问题，建立了合理的有限元模型，然后利用该模型成功地研究了h 型钢轧制 过程中的金属流动规律、残余应力分布及立辊的水平位置误差对轧件变形和轧制 力的影响规律等f 2 3 。 朱旭光等借助有限元分析软件m s c s u p e r f o r m 2 0 0 4 对h 型钢轧制过程进行了 模拟，着重讨论了万能轧制不同阶段轧件宽展在孔型中的变化规律【2 钔。 山东大学贺庆强等研究了q 2 3 5 材料高温下的本构关系模型，建立高温下q 2 3 5 整体流变模型，并通过有限元软件a b a q u s 对h 型钢开坯过程中金属的流动情况、 应力分布以及温度场分布进行了模拟分析，并建立了相关的数学模型1 2 5 - 2 7 】。张海 龙采用网格重构的方法对连轧过程进行了分段式有限元模拟，通过对h 2 5 0 1 2 5 6 9 规格h 型钢精轧过程的分析及结果验证，证实了该分析方法的可行性及有 效性2 8 1 。 郭娟等利用a n s y s 模拟了h 型钢轧后控制冷却温度场的变化，研究并设计 了气雾冷却装置，并首先应用于莱钢中型厂h 型钢生产线 2 9 1 。 刘巧等人采用a n s y s 对h 型钢轧后冷却过程中温度及应力变化进行了数值 模拟分析，讨论了合理的控制冷却方式及工艺参数可以有效地改善空冷状态下的 温度不均、组织不均和残余应力水平较高等问题，获得较均匀的温度场，降低轧 件的残余热应力1 3 唧。 赵培林等为了得到轧制过程中轧辊及轧件的应力及变形情况分布，采用有限 元软件l s d y n a ，通过三维弹塑性有限元方法，在工作辊与支撑辊均为弹性辊的 情况下，对轧件精轧道次平辊轧制过程进行了仿真分析。仿真分析结果表明，轧 制过程中接触弧内轧辊表面受到三向压应力作用【3 1 1 。 山东大学硕士学位论文 朱国明等借助于l s d y n a 有限元软件，分析了不同热定尺情况下h 型钢残 余热应力的分布。结果表明：该热轧h 型钢因轧后断面温度场的分布不均匀导致 空冷过程中残余热应力的分布状态复杂，其中沿轧件长度方向上的残余热应力在 腹板部位整体表现为压应力，而翼缘中心和腰腿连接部位表现为拉应力【3 2 。 马光亭等采用显式动力学有限元软件l s d v n a ，结合生产实际，对h 型钢 万能轧制进行了仿真计算。在仿真结果的基础上，根据轧制平面内的节点位移矢 量分布情况，分析了轧件断面内金属流动规律【”】。 邹勇等采用有限元分析软件m a r c 2 0 0 3 对h 型钢的稳态万能轧制道次进行了 动力学弹塑性有限元模拟，分析了轧件的变形和金属流动情况，以及翼缘的等效 总应变分布1 3 引。 综上所述，在研究内容上，国内外学者对h 型钢轧制过程的数值分析大部分 还是选择h 型钢的粗轧或者精轧某个阶段，对于轧件的应力场、温度场和某个部 位的微观组织进行数值模拟分析。这些研究缺乏有效的集成，并没有系统化模拟h 型钢轧制全过程，不易实现对h 型钢最终产品质量的控制。 分析工具方面，通用有限元分析软件a b a q u s 、a n s y s 、m a r c 和l s d y n a 等都有涉及，其中具备隐式算法的m s c m a r c 和a n s y s 软件应用居多。本实验 室贺庆强、刘克强及张海龙等采用具有隐式和显式两种算法的a b a q u s 软件，通 过其显式求解器模拟瞬态轧制过程，隐式求解器分析道次间隙轧件散热过程，同 时开发网格重构技术解决了因轧制塑性大变形引起的网格畸变，实现了轧制规程 各个阶段，尤其是开坯往复轧制和热连轧工艺的数值仿真。但是，这些工作还没 有形成可用于实际生产的、易于操作的综合仿真系统，实现针对h 型钢工艺过程 实现工艺参数的输入，轧制参数的准确求解以及即时信息的提取。 1 3a b a q u s 有限元软件的二次开发现状 a b a q u s 软件是达索s i m u l i a 公司的产品，有两个主要分析模块： a b a q u s s t a n d a r d 和a b a q u s e x p l i c i t 。a b a q u s s t a n d a r d 提供了通用的分析能 力，如应力和变形、热交换、质量传递等；a b a q u s e x p l i c i t 应用对时间进行显式 积分求解，自动选择相应载荷增量和收敛速度，不仅能够选择合适参数，而且能 连续调节参数以保证在分析过程中有效地得到精确解，为处理复杂接触问题提供 6 第1 章绪论 了有力的工具【3 5 - 3 6 。 a b a q u s 二次开发主要有以下四个途径：环境初始化文件，通过环境初始化 文件改变a b a q u s 的缺省设置；a b a q u s 用户子程序接1 2 1 ，通过用户子程序可 以开发新的模型，控制a b a q u s 计算过程和计算结果：a b a q u s 图形用户接1 2 1 工具包( a b a q u sg u it o o l k i t ) ，通过g u i 工具包可以创建新的图形用户界面和用 户交互；a b a q u s 脚本接e i ( a b a q u ss c r i p t i n gi m e r f a c e ) ，通过内核脚本可以实现 前处理建模和后处理分析计算结果p 。 1 3 1 子程序开发现状 a b a q u s 通过用户子程序，允许用户在无法找到合适模型的情况下自定义模 型，以实现特定的功能。用户子程序s u b r o u t i n e 采用f o r t r a n 语言编写，找到对应 的接1 2 1 后，在任务提交时嵌入分析模型 3 8 1 。 g e r r yc o o k 等为了预测零部件疲劳断裂情况，在三维分析模型中使用d l o a d 用户子程序，可以把因喷丸成形带来的残余应力考虑其中1 3 9 1 。 范庆来等利用用户材料子程序u m a t 接口添加并开发了d u n c a n c h a n g 本构模 型的e b 模式，对三轴固结排水试验进行了具体数值计算f 4 0 】。 fm i r i a n o n 等分别采用u m a t 子程序和d f l u x 子程序定义木材的应力应变 关系和木材表面水分散失的过程1 4 。 沈新普等使用a b a q u s 软件提供的u m a t 子程序将一种新的考虑应力三轴 比依赖特性的塑性损伤本构模型植入到现有的a b a q u s 软件材料库中，并用 u v a r m 子程序将自定义的损伤变量输出到结果文件中进行结果图形显示【4 2 j 。 eg i n e r 等提出扩展有限元法中嵌入u e l 子程序，可以分析非弹性摩擦接触问 题，并得到实例验训4 3 1 。 贺庆强等通过u v m a t 确定非线性混合强化材料模型，u s d f l d 子程序分析 轧制道次间隙奥氏体演变过程，f i l m 子程序定义瞬态轧制过程的摩擦系数，分析 工艺参数对h 型钢热轧过程奥氏体演化的影响】。 1 3 2 前处理开发现状 鲍荣浩和卢文浩对a b a q u s 的前处理部分进行二次开发，使用a b a q u s 脚 本语言开发了一系列程序，用于建立多胞材料的几何模型，提高了建模过程的效 7 山东大学硕十学位论文 率1 4 5 j 。 朱兆华等以实例说明了p y t h o n 脚本语言和a b a q u sg u it o o l k i t 在a b a q u s 的前、后处理模块二次开发中的应用，分别通过应用程序和插件两种方式构建程 序结构【4 6 1 。 蒋玉齐在a b a q u s 的2 0 10 年用户会议上详细介绍了p y t h o n 语言在a b a q u s 建模中的应用，指出可以根据需要编写出各种各样的功能函数，实现程序化、参 数化以及通用化建模分析，也可以不再需要i n p 文件而直接运行p y t h o n 程序文件 进行整个前后处理和批处理【4 7 1 。 吴向东和刘志刚等通过开发针对板料快速冲压成形模拟的p y t h o n 脚本程序， 使用户能够根据压力机实际参数创建真实加载速度幅值曲线【4 8 】。 hr o k n i 等编写p y t h o n 程序建立三维微光束有限元模型，进而分析在各类振 动和边界条件下，碳纳米管最佳的分布状态【4 9 1 。 dc o j o c a r u a 等利用a b a q u s 的脚本接口，构建面向对象的模型结构，模拟 分析由于循环载荷引起的裂纹扩展过程，其中利用模型变化决定裂纹扩展判据【5 0 1 。 ljx i e 和js c h m i d t 等导入基于p y t h o n 的刀具磨损程序，用于描述切屑形成 过程，读取切削过程中的有关变量，以及改进刀具尺寸f 5 l 】。 1 3 3 后处理开发现状 连昌伟等使用p y t h o n 语言实现了对塑性成形过程中厚度变化计算结果的读 写、复制以及对数据的处理并最终将有关结果输出到a b a q u s v i e w e r 中，从而使 用户能够更好的查看材料在塑性变形过程中的厚度的变化情况【5 2 1 。 郭玲和杨合等将二次开发应用到模拟薄壁管数控弯曲中，成功的预测了薄壁 管在弯曲过程的起皱区域并确定了最大壁厚减薄量的位置【5 3 1 。 岳永保和杨合等采用p y t h o n 语言对a b a q u s 后处理模块进行了二次开发， 根据数控弯管的常见质量指标，实现了截面扁化率、壁厚变化率、回弹角的计算 以及管件起皱判断等功能，并开发出友好的图形用户界面，以增强后处理模块的 实用性。其后处理二次开发思路同样适用于其它塑性成形过程【5 4 1 。 宋岩新等针对海底管线稳定性问题这一具体实例，分析了波浪作用下海底管 线下方砂质土体的瞬时液化区域及最大液化深度。结果表明，利用所开发的程序 能够得到波浪作用下的海床土体的液化区域及最大液化深度，为海底管线稳定性 8 第1 章绪论 研究提供了借型5 5 1 。 总的来说，现有的理论主要集中于a b a q u s 中子程序s u b r o u t i n e ，即运用 f o r t r a n 语言对于材料模型或摩擦属性等方面进行用户自定义，或者运用插件 p l u g i n s ，采用p y t h o n 语言针对局部的c a e 操作进行自动化建模和分析。基于 a b a q u s 软件针对h 型钢的热轧工艺整个过程开发符合用户习惯的综合仿真系统 至今还没有文献涉及。 1 4 课题来源及主要内容 本课题依托2 0 1 0 山东省科技发展计划项目：大型构件多道次复杂成形过程数 值仿真与质量控制( 项目编号：2 0 1 0 g g x l 0 4 2 1 ) 。本课题的主要内容是以热轧中 型h 型钢为研究对象，利用有限元技术实现轧制过程的即时信息提取，如应力、 温度、轧制力及宽展等，避免黑箱轧制，实现整个轧制过程的信息透明化。同时， 前处理的建模、装配以及网格划分等所有操作均通过p y t h o n 程序进行设计。研究 内容主要分为以下几个方面： ( 1 ) 利用a b a q u s 针对多种中型h 型钢型号分别进行数值仿真分析，建立 h 型钢轧制工艺的弹塑性有限元模型，嵌入网格重构程序避免了因大塑性变形引 起的网格畸变。 ( 2 ) 实现粗轧往复轧制前处理的自动化建模，其中包括轧辊和轧件的分别建 模，轧件材料属性的赋值，轧辊装配，接触属性的设置，轧件网格的自动划分， 以及边界条件的添加等内容。同时构建符合用户习惯的图形用户界面，实现内核 程序和界面程序的交互。 ( 3 ) 针对每一道次和道次间隙，即时实现* l * j j 信息的提取，包括温度、应力、 应变及轧制力等参数。通过内核程序判断显示一些参数值，同时建立信息提取对 话框，保留原有部分后处理功能，使信息提取方便快捷。 ( 4 ) 采用应用程序的方式，搭建针对h 型钢热轧工艺的仿真系统主界面，使 用户能够快速地熟悉菜单栏和工具栏指令。 1 5 课题研究的目的和意义 现有的通用有限元商业软件，由于功能庞大，软件学习的周期较长，对于使 9 山东大学硕士学位论文 用人员的专业知识要求较高，所以掌握起来难度较大。工作现场的技术人员，大 多是熟悉热轧工艺而不了解有限元仿真技术，有必要建立针对h 型钢热轧工艺的 综合仿真系统，从而跳过繁琐的常规有限元软件的操作过程，尽快地掌握分析流 程。仿真系统通过把工艺参数作为输入量，同时实现轧制过程的即时信息提取， 包括应力、应变、温度及宽展等，避免了轧制过程的黑箱轧制。 h 型钢热轧工艺作为一类复杂的金属塑性大变形过程，仿真系统的设计，集 成已有粗轧和精轧各个道次及道次间隙的有限元操作，实现轧制仿真的参数化和 自动化设计。仿真系统的设计缩短了新型h 钢产品的开发周期，提高了产品工艺 改进的效率，具有重要的经济效益和社会效益。同时该系统基于a b a q u s 软件进 行开发，通过应用程序的方式构建轧制各个程序模块，扩展了a b a q u s 的功能。 模块化设计的思路有助于类似产品的塑性成形工艺上的系统开发。 1 0 第2 章热轧工艺仿真系统基本原理 第2 章热轧工艺仿真系统基本原理 针对目前h 型钢多道次热轧工艺仿真中涉及的前处理操作繁琐、后处理信息 提取不便的问题，有必要建立针对h 型钢热轧工艺的综合仿真系统。本章基于仿 真系统所需的功能要求，确定系统实现方案，并且对于系统涉及的各个部分的实 现原理分别进行介绍。 2 1 仿真系统整体结构和实现方案 2 1 1 仿真系统组织结构和功能要求 图2 1 为仿真系统组织结构和功能要求框图，系统构建过程中所需满足的要求 如下： 1 ) 前处理实现自动化建模，同时用户能够在自定制的图形用户界面上实现重 要工艺参数的输入或者选择。 2 ) 求解器能够准确计算出h 型钢多道次轧制的仿真数据。 3 ) 后处理中，用户可以方便地选择所要输出的参数，对于h 型钢的多道次轧 制而言，实现每一道次及道次间隙的即时信息提取。 4 ) 主界面窗口简单明了，用户能够快捷地熟悉菜单栏和工具栏指令。 主 界 面 2 1 2 仿真系统实现方案 前处理 望 求解器 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 j 竺 后处理 建模并定制图形用户界面 任务自动提交并准确求解 信息提取并定制用户界面 图2 1 仿真系统组织结构和功能要求 h 型钢的热轧过程属于塑性大变形过程，而a b a q u s 软件具有强大的非线性 有限元分析功能，能够有效地模拟h 型钢多道次开坯轧制和热连轧过程。所以， 山东大学硕十学位论文 选择a b a q u s 软件，借助其二次开发前后处理的能力，通过脚本接口构建综合仿 真系统。该系统采用自定制应用程序的方式，首先构建用户c a e 用户主界面，在 此基础上通过脚本语言的编写构建前处理和后处理模块以及一一对应的图形用户 乔面( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ，简称g u i ) ，通过工艺参数的修改或输入，实现自动 化的分析流程，并且实现即时信息的提取。 2 2 求解器原理 2 2 1 非线性问题 在经典弹性理论和小变形塑性理论中，均假定变形体的位移、转动和应变是 很小的，而且在变形体内变形时载荷方向不变，从而得到线性的几何方程。然而 轧制成形过程中可能会出现大位移、大转动以及大应变，载荷方向也会随着变形 而发生变化，任何一种情况都会导致几何方程中的二次项不能略去，从而成为非 线性方程【l 2 l 。 非线性问题分为三类：几何非线性、边界非线性和材料非线性。如果模型在 分析中出现大的位移或者转动、初始应力或载荷发生硬化现象，位移的大小会影 响模型的响应，为几何非线性问题：如果在分析过程中边界条件发生变化，就属 于边界条件非线性问题，接触问题是最为典型的边界条件非线性问题；如果材料 的应力应变曲线为非线性，或者模型中涉及材料失效或应变率相关的材料属性， 则属于材料非线性问题，例如金属材料超过屈服点的情况【5 6 1 。 图2 2 为结构的非线性载荷位移曲线，考虑作用在物体的外部力和内部节点 的作用力，由包含一个节点各个单元的应力引起了作用于该节点的内部力。 1 2 载荷n 位移m m 图2 2 非线性载荷位移曲线 第2 章热轧丁艺仿真系统基本原理 物体处于静态平衡时，基本状态是内部力，和外部作用力q 必须互相平衡。 q - s = 0 ( 2 1 ) 2 2 2a b a q u s 求解器非线性分析 a b a q u s 中包括两类求解器，a b a q u s e x p l i c i t 显式求解器和 a b a q u s s t a n d a r d 隐式求解器。a b a q u s e x p l i c i t 显式求解器适用范围包括应力 波效果显着或模拟时间非常短暂的分析、高度不连续和高速的动力学分析、复杂 接触分析、高度非线性的准静态分析以及边界条件极度不连续等问题。 a b a q u s s t a n d a r d 隐式求解器主要用于一般的线性和非线性问题，例如结构静力 学分析、耦合分析、动态线性分析和热分析等。 ( 1 ) a b a q u s e x p l i c i t 非线性分析 以三维实体单元为例，有限元求解基本步骤包括连续区域的离散化，构造插 值函数，形成系统求解方程并求解，最后计算应力和应变【1 2 1 。 在形成系统求解方程中，根据虚功原理，在体积为y ，表面积为s 的一部分表 面墨上，e u l e r 描述的虚功方程为： l 黟“，嬲+ 工巧6 d y2 上嘞d y ( 2 - 2 ) 式中z 物体表面力矢量的分量； f 物体单位体积力的分量； 仃。欧拉应力张量的分量； s 。彳砌口瑚f 应变速率张量分量； 对式( 2 2 ) 通过位移空间离散最终可以得到系统的求解方程： m 舀( ，) + c 矗( ，) + k “( f ) - - o ( t ) ( 2 3 ) 式中拼( f ) 节点加速度向量； 五( ，) 节点速度向量； m ，c ，k 系统质量矩阵，阻尼矩阵，刚度矩阵； q ( f ) 节点载荷向量。 系统质量矩阵，阻尼矩阵，刚度矩阵以及节点载荷向量由各自的单元矩阵和 向量得到： 山东大学硕士学位论文 m ：ym e j ，一 k ：yk e j ，一 二 ( 2 4 ) c = c 。 j ，一 e q = q 8 式中m 。，k 。，c 。单元质量矩阵，刚度矩阵，阻尼矩阵； q 。单元载荷向量。 a b a q u s e x p l i c i t 采用中心差分法( c e n t r a ld i f f e r e n c er u l e ) 对运动方程在时 间域上进行