（机械设计及理论专业论文）保温罩内热轧中间坯输送辊道温度场分析.pdf

武汉科技大学 y 1 739464iiii i ii l l li i i i i ii ii i 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文是本人在导师指导下 独立进行研 究所取得的成果 除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均己在文中以明确方式标明 申请学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切相关责任 论文作者签名 塑 刍楚日期 丝 印 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有 其研究内容不得以其它单位 的名义发表 本人完全了解武汉科技大学有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并向有关部门 按照 武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定 执行 送交论文的复印件和电子版本 允许论文被查阅和借阅 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务 论文作者签名 指导教师签名 日期 硝 乐起 诋 武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 输送辊道是钢铁生产中常用的传输设备 热轧中间坯输送辊道位于粗轧机组与精轧机 组之间 承担着输送中间坯的任务 在生产过程中 由于中间坯在输送辊道上运行时间长 造成首尾温差大 边部温降严重 导致轧制不稳定及边部开裂 降低了产品的质量和成材 率 通过在中间坯输送辊道上加设保温罩 显著提高了产品的质量和成材率 运行效果良 好 但是输送辊道的温度也随之升高 经常发生辊道两端轴承因热变形过大产生的卡死现 象 严重影响了正常生产 本文针对该问题 采用有限单元法对输送辊道温度场进行数值仿真 分析了输送辊道 系统在热轧过程中的温度场变化 根据轴承的正常工作温度 计算出轴颈处的热流密度 结合水冷换热公式 确定了辊道两端轴承冷却系统喷水量 主要内容包括 1 本文在分析输送辊道系统在传送过程中的温度场变化时 由于输送辊道系统在运行 过程中受到交变载荷的作用 如果建立成一个三维整体模型进行加载计算 则边界条件和 载荷加载过于复杂 计算非常困难 因此 为了能够既对现实情况进行合理的模似 同时 也能够减少计算量 降低计算难度 我们对模型进行简化处理 将三维模拟简化为两步的 二维处理 辊身径向截面瞬态温度场计算和辊系轴向稳态温度场计算 这样既能够合理的 反应实际运行过程中输送辊道系统内部的温度场变化 又可以简化计算 2 在分析辊身径向截面瞬态温度场计算时 将辊道辊子简化为平面瞬态温度场计算 这样可以真实的反映输送辊道在铸坯通过时受到铸坯的高温传导及辐射后 温度场的变化 情况 通过此步骤可以获得辊子剖面的温度场分布及辊身温度与时间的数据 为进一步计 算输送辊道系统模型奠定基础 3 在辊系轴向稳态温度场计算中 由于辊身与板坯的接触部分的长度远远大于辊身截 面直径的尺寸 而且输送辊子与板坯接触部分的辊身其结构 热环境 材料的均匀 连续 性均完全相同 因此我们可以将实际中的空间三维问题简化为一个二维问题做近似处理 将径向截面上辊道稳定时的温度与时间的数据作为边界条件 加载到轴截面模型上的辊 身 进行稳态分析 从而获得整个输送辊道系统运行过程中的温度场分布 这样的分解既 降低了计算的难度 同时将真实的工况合理的进行分解 以准确的反映整个输送辊道的运 行过程 4 根据轴承的正常工作温度 计算出轴颈处的热流密度 结合水冷换热公式 确定了 辊道两端轴承冷却系统喷水量 本文通过运用有限单元法计算输送辊道在运行过程中的温度场 确定输送辊道冷却系 统的喷水量 为制定输送辊道的冷却方案和保证输送辊道在加设保温罩后也能长时间正常 运转 提供了理论依据 关键词 输送辊道 热分析 温度场 有限元 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t r o l l e rc o n v e y o ri sc o m m o n l yu s e di ns t e e lp r o d u c t i o ni nt h et r a n s m i s s i o ne q u i p m e n t h o t r o l l e db i l l e tc o n v e y o rr o l l e r si nt h em i d d l eo fr o u g hr o l l i n gm i l lg r o u pa n db e t w e e nt h e f i n i s h i n gm i l l s b e a rt h et a s ko fc o n v e y i n g t h em i d d l eb l a n k i nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s s i n c em e m i d d l eo fb i l l e tc o n v e y o rr o l l e r si nal o n gr u n n i n gt i m e r e s u l t i n gi nal a r g et e m p e r a t u r e d i f f e r e n c eb e t w e e ne n dt oe n d t h ee d g eo fas e r i o u st e m p e r a t u r ed r o p l e a d i n gt oi n s t a b i l i t ya n d t h er o l l i n ge d g ec r a c k i n g r e d u c i n gt h eq u a l i t ya n df i n i s h e dp r o d u c tr a t e b yt h em i d d l eo fb i l l e t c o n v e y o rr o l l e r so fa d d i t i o n a li n s u l a t i o nc o v e r s i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h eq u a l i t ya n df i n i s h e d p r o d u c tr a t e w o r k sw e l l h o w e v e r t h et e m p e r a t u r eo fr o l l e rc o n v e y o ra l s ow i l lr i s e f r e q u e n t r o l l e rb e a r i n g sa tb o n le n d so fd e f o r m a t i o nd u et oe x c e s s i v eh e a tg e n e r a t e ds t u c kp h e n o m e n o n h a ss e r i o u s l ya f f e c t e dt h en o r m a lp r o d u c t i o n i nt h i s p a p e r t h ep r o b l e m u s i n gt h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o do nt h ec o n v e y o rr o l l e r t e m p e r a t u r ef i e l dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h et r a n s p o r ts y s t e mi nt h eh o tr o l lt e m p e r a t u r ef i e l di n t h ep r o c e s so fc h a n g e a c c o r d i n gt ot h en o r m a lb e a r i n go p e r a t i n gt e m p e r a t u r e c a l c u l a t e dh e a t f l u xj o u r n a l0 伍c ec o m b i n e dw i t hw a t e r c o o l e dh e a te x c h a n g e r d e t e r m i n e dt h er o l l e rb e a r i n g sa t b o t he n d so ft h ec o o l i n gs y s t e mw a t e rs p r a y t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e 1 t l l i sp a p e ra n a l y z e st h er o l l e rc o n v e y o rs y s t e mi nt h et r a n s m i s s i o np r o c e s si nt h e t e m p e r a t u r ec h a n g e b e c a u s er o l l e rc o n v e y o rs y s t e md u r i n go p e r a t i o nb ya l t e r n a t i n gt h er o l eo f 1 0 a d i ft h ee s t a b l i s h m e n to ft h ew h o l em o d e li n t oat h m e d i m e n s i o n a ll o a dt e r m s t h eb o u n d a r y t o oc o m p l e xl o a d i n gc o n d i t i o n sa n dl o a dc a l c u l a t i o ni sv e r yd i 伍c u l t t h e r e f o r e i no r d e rt ob e a b l en o to n l yt ot h er e a l i t yo ft h em o d e ls e e m sr e a s o n a b l e b u ta l s oc a nr e d u c et h ec o m p u t a t i o n a n dr e d u c et h ec a l c u l a t i o ni sd i f i i c u l t w es i m p l i f yt h em o d e l t h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o nw i l l b er e d u c e dt ot w o d i m e n s i o n a lt w o s t c pt r e a t m e n t r o l l e rb o d yr a d i a lc r o s ss e c t i o ne a l c u l a t i o no f t r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l da x i a lr o l l e rs y s t e mo fc a l c u l a t i o n i nt h i sw a y r e a s o n a b l er e s p o n s e st ot h ea c t u a lt r a n s p o r t a t i o nr o l l e rd u r i n go p e r a t i o no ft h et e m p e r a t u r ef i e l d c h a n g e sw i t h i nt h es y s t e m b u ta l s os i m p l i f yt h ec a l c u l a t i o n 2 b o d yr o l li n t h er a d i a lc r o s ss e c t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l dc a l c u l 撕o n t h er o l l e r s i m p l i f i e dc a l c u l a t i o no ft r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l df o rt h ep l a n e i tc a nb eat r u er e f l e c t i o no f c o n v e y i n gr o l l e r sr f ei nt h es l a bw h e nt h es l a bb yh e a tc o n d u c t i o na n dr a d i a t i o n t e m p e r a t u r e c h a n g e s t i l i ss t e pc a ng e tr o l l e rt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o np r o f i l e sa n dt h er o l lb o d yt e m p e r a t u r e a n dt i m eo fd a mt r a n s m i s s i o nf o r t h ef u r t h e rr o l lm o d e lc a l c u l a t i o nb a s i s 武汉科技大学硕士学位论文第1 i i 页 n o to n l yr e d u c e st h ec o m p u t a t i o n a ld i f f i c u l t y w h i l er e a lc o n d i t i o n sw i l lr e a s o n a b l yd e c o m p o s e d t oa c c u r a t e l yr e f l e c tt h eo p e r a t i o no ft h ec o n v e y o rr o l l e rp r o c e s s 4 t h eb e a r i n go ft h en o r m a lo p e r a t i n gt e m p e r a t u r e c a l c u l a t e dh e a tf l u xj o u r n a lo f f i c e c o m b i n e dw i t hw a t e r c o o l e dh e a te x c h a n g e r d e t e r m i n e dt h er o l l e rb e a r i n g sa tb o t he n d so ft h e c o o l i n gs y s t e m w a t e rs p r a y i nt h i sp a p e r t h ef i n i t ec l e m e n tm e t h o d c o n v e y o rr o l l e r sd u r i n go p e r a t i o no ft h e t e m p e r a t u r e f i e l dt od e t e r m i n et h e t r a n s p o r tr o l l e r w a t c 习rs p r a yc o o l i n g s y s t e mf o rt h e d e v e l o p m e n to ft r a n s p o r t a t i o np r o g r a m sa n dt h ec o o l i n gr o l l e rc o n v e y o rr o l l e r st o 豇l g u r ea l l i n c r e a s e dh e a ts h i e l dc a nb el o n ga f t e rt i m eo fn o r m a lo p e r a t i o n p r o v i d i n gat h e o r e t i c a lb a s i s k e yw o r d s c o n v e y o rr o l l e r t h e r m a la n a l y s i s t e m p e r a t u r ef i e l d f i n i t ed e m e n t 第 页武汉科技大学硕士学位论文 目录 第一章绪论 1 1 1 热连轧中间坯保温罩及输送辊道的温度场的研究意义和现状 l 1 1 1 保温罩技术 1 1 1 2 输送辊道温度场的研究现状 1 1 2 有限元法 3 1 2 1 非线性问题研究和现状 3 1 2 2 非线性问题类型 3 1 2 3 热非线性问题分析特点 4 1 3a n s y s 应用概述 4 1 3 1a n s y s 在温度场中的应用 4 1 3 2a n s y s 进行有限元分析的过程 4 1 3 3a n s y s 中单元的选取 5 1 3 3a p d l 语言简述 6 1 4 本课题选题意义及研究内容 6 1 4 1 本课题选题意义 6 1 4 2 本课题研究内容 7 第二章输送辊道系统温度场分析的理论基础 8 2 1j l 言 8 2 2 温度场分析的理论基础 8 2 2 1 傅立叶定律和导热微分方程 8 2 2 2 定解条件 1 0 2 3 热传导的基本概念和定律 1 2 2 3 1 热传导 1 2 2 3 2 对流换热 1 3 2 3 3 辐射换热 1 3 2 3 4 稳态传热 1 4 2 3 5 瞬态传热 1 4 2 4 温度场的有限元分析 1 5 2 4 1 温度场的控制方程 15 2 4 2 温度场的泛函表达式 1 5 2 4 3 温度场的变分表达式 1 6 2 4 4 推导有限元方程 1 6 第三章输送辊二维模型的有限元分析 1 8 3 1 输送辊二维模型的构建 1 8 武汉科技大学硕士学位论文第v 页 3 1 1 输送辊道系统基本结构 1 8 3 1 2 输送辊道模型简化 1 8 3 1 3 网格划分 1 9 3 2 约束条件和载荷 2 0 3 3 计算结果分析 2 3 3 4 本章小结 2 6 第四章输送辊道系统整体模型的有限元分析 2 7 4 1 输送辊系统有限元模型的构建 2 7 4 1 1 输送辊道系统模型简化 2 7 4 1 2 网格单元划分 2 8 4 2 定义约束条件和载荷条件并求解 2 9 4 3 结果分析 31 4 4 轴承的冷却方案 3 2 4 5 本章小结 3 3 5 1 主要结论 3 4 5 2 展望 3 4 参考文献 3 5 j l 更谢 3 8 攻读硕士期间发表论文 3 9 武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 第一章绪论 1 1 热连轧中间坯保温罩及输送辊道的温度场的研究意义和现状 在国外 热轧带钢生产在最初时急骤扩张 展 环保意识的增强 节能降耗 研发新品种 的新方向 产量迅速增长 但随着各国工业水平的发 提高成品率等已经成为热轧带钢生产发展 载热轧生产过程中 热轧中间坯在粗轧机组与精轧机组之间的输送辊道上运行时间很 长 这种情况导致中间坯首尾温度下降很大 同时中间坯的边部温度下降严重 这样造成 了中间坯在轧制时不稳定 经常出现边部开裂的现象 由此导致了产品的废品率和设备的 故障率上升 为了减少中间坯的温降 提高产品质量 在粗轧机组与精轧机组之间的输送 辊道上加设保温罩成为首选方案 加设保温罩后 热轧的运行效果很好 降低了能耗和设 备故障率 同时也减少了废品的产生 但是也存在一定的问题 加设保温罩以后 输送辊 道系统的温度也随之升高 经常发生热轧设备辊道系统两端的轴承出现卡死的现象 给工 厂的生产造成了一定的影响 1 1 1 保温罩技术 保温罩是近年来在热轧带钢生产中采用的新技术之一 它安装在粗轧机组与精轧机组 之间的辊道上 工作时 保温罩扣在输送辊道上 起到保持中间坯温度的作用 当不工作 时 则使用倾翻机将保温罩翻转过来 立放置在辊道上方 为进一步加强保温罩的保温效 果 保温罩子内部装有隔热保温材料 这样在使用保温罩后 中间带坯通过时可减少温度 下降的幅度 目前国内在武钢 宝钢和鞍钢等钢厂的热轧机组采用了这种装置 1 1 2 输送辊道温度场的研究现状 1 1 2 1 对输送辊温度场传热原理的研究 对温度场传热原理研究的目的在于确定环境因素对输送辊道系统的温度场分布的影 响 能量守衡定律是传热学的基本定律之一 热能和机械能进入物体的速率与能量离开物 体的速率之差 等于能量在这个物体内存储的速率 1 1 在传热学问题的求解过程中 有限 单元法是常见的一种方法 在采用有限单元法有解时 边界条件是求解过程中最重要因素 之一 它直接影响到计算结果的准确性和精确性 2 1 张国滨 王玉会等人 3 在研究连铸方坯热送过程中的温度梯度时 先建立了铸坯热送 过程中的铸坯温度梯度的数学模型 然后总结了铸坯热传导的微分方程 其研究认为在保 温罩内热送过程中 铸坯的表面温度通过热辐射 热对流等形式将热量传递给保温罩的内 表面 其中大部分热量由内表面反射回铸坯表面 少部分热量通其保温罩外表面以热幅射 热对流等形式传递给空气和周围其它介质 因为保温罩的材料具有良好的隔热性能 所以 在铸坯热送过程中保温罩内表面都有很高的温度 铸坯的传热形式在保温罩内以热辐射为 主 计算时忽略了空气对流对铸坯温度场的影响 高仲龙等 4 在其研究连铸坯热送系统数学模型及综合效益分析的文章中 建立了连铸 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 坯热送系统的数学模型 提出了自己的观点 他认为铸坯上表面热流密度值分为两个部分 其一是铸坯对罩内表面的幅射换热 其次是铸坯上的方空气的自然对流换热 此外 罩本 身的散热也会影响到罩的内表面温度 因为罩的厚度比罩的长度尺寸小很多 所以罩的导 热问题可以简化为与厚度方向一致的一维问题 保温罩外表面的散热热流密度值则包括对 空气的热辐射换热和热对流换热 张洪武 顾元宪 5 等人在研究传热和热接触耦合的分析中 通过建立接触面的热交换 模型 将接触面上的热传递过程进行耦合分析 此外 孙蓟泉 李慧剑 6 等人在连铸机辊 子与铸坯传热的研究中建立了连铸机的辊子模型 考虑了钢坯对辊子的影响 刘明延 7 j 等 在板坯连铸机设计与计算的研究中指出辊子与铸坯接触区域的热传导传热量是通过接触 表面的接触传递到辊子内部的 1 1 2 2 对温度场方程的计算 目前 对温度场的研究方法较多 分为差分法和有限元法 边界单元法 有限体积法 等 8 这些方法通常用来计算非稳态温度场 由于这些方法都采用时间步长递进方式求解 因而计算量巨大 如果对时间步长选取不当 则会导致无法求解或求解时间很长 因此 寻求更快更好的求解方法已成为人们探索的新领域 c h e n h t 9 1 0 在其研究中提出混合l a p l a c e 变换差分法 建立了物体在三维空间模 型中每个点上的温度随时间变化的数学模型 随后在其后续的研究中 发展了l a p l a c e 变 换差分法 提出了混合l a p l a c e 有限元法 这些方法显著的提高了计算的精确性与稳定性 为今后新方法的产生奠定了基础 但其网格划分相对较粗 同时需计算复值矩阵和进行 l a p l a c e 反演 l l 田健 张忠宁等 1 2 在其求解二维非稳态温度场的研究中 采用边界单元 法解二维非稳定温度场 其创新点在于他在文章中把偏微分方程转化为常微分方程求解 这样不仅大大降低了计算的难度 而且使得方程得以简化 郑雷晴等人 1 3 在求解传热学温 度场的应用中 使用有限体积法来求解温度场问题 其特点是在粗网格情况下求解 可以 得到较为准确的积分 使用解析法来求解传热微分方程时 通常采用傅里叶变换和分离变量法 求解过程中 采用大量假设 以简化传热问题并加以求解 1 4 随着计算机的普及 通用有限元软件的大 量应用可以大幅简化建模工作和计算工作 因此得以在实际工程的应用中多采用有限元编 程来求解传热问题 1 5 王泽生 沈洪旭等 1 6 在研究导热温度场计算时采用复合插值法 对 于物体的内部节点使用有限差分法 对于物体的外部节点采用拉格朗日抛物线插值法 这 题时采用精细积分法 而王一博 杨天海 2 4 宗量反演中 具体研究了求解瞬态热传导的 武汉科技大学硕士学位论文 第3 页 在以往的文献中对轧机带坯温度场的研究中主要是采用的是有限差分法和有限单元 法 董洪波 康永林等人 2 5 在运用有限元技术研究板带轧制过程时 采用了弹塑性大变 形热力耦合有限单元法 得出了较为精确的结果 沈丙振 周进等人 2 6 l 在其文章热轧全流 程带钢温度场数值模拟中 采用有限差分法建立了热轧三维模型进行数值计算温度场 这 种建模方法可以精确的预测带坯温度场 优化轧制工艺和提高最终产品的质量水平 提供 理论依据 文献 2 7 冽在研究热轧精轧和粗轧的温度场分析的数值模拟过程中 采用了有限差分 法建立了轧件三维和二维温度场分析计算模型 在其文章中通过对热轧全过程传热关系的 分析 利用该模型来模拟热轧过程中的温度场 并与实测结果进行了对比分析 提出了改 进意见 1 1 2 3 输送辊道系统研究现状 对辊道系统的研究多集中于轧辊和轧机支承辊以及连铸机辊道系统的研究上 对于热 轧输送辊道系统的研究较少 孙蓟泉 李慧剑等 2 9 在其文章连铸机辊子与铸机传热的研究中 通过实测辊子的温度 变化曲线 总结出不周区域的综合传热系数及其表面温度计算的表达式 从而为正确计算 辊子的温度场和热应力提供了理论依据 张绚丽 张杰等 3 0 在文章带钢热轧工作辊温度场 及热辊形的理论与实验的研究中采用差分法建立t l 辊二维瞬态温度场模型 同时在模型 上加载实际生产参数以模拟轧制和空冷过程中的工作辊热变形 文章对不同工况下的工作 辊热变形规律进行了深入研究 对实际工作生产具有指导意义 此外邹月灿 任立军 3 l 在文章中采用a n s y s 软件对导辊进行运态温度场模拟 为优化系统参数提供了理论依据 此外 a p 概在研究热轧工作辊连续工作状态时建立t l 机工作辊的热响应数学模 型 3 2 1 h u a n g 在研究轧制过程中冷却水对工作辊表面的冷却效果时 采用最小共轭梯度 法建立模型进行分析 3 3 1 l m g a l a n t l l 耐a 在其研究中采用有限单元法对轧机工作辊轧制过 程进行仿真建模 3 4 1 x d u a n 和r e z a 黜a h i 栅也在其文章中采用有限元法对铝合金的轧制过 程讨论 3 5 3 6 1 另外 x m z l l 锄g 在研究c v c s l 机工作辊的热变形时 采用有限差分法对 模型进行仿真 3 7 1 r l c o n 谢则在其文章中分析了热轧过程中工作辊热弹性响应等相关问 题 3 8 1 2 有限元法 1 2 i 非线性问题研究和现状 实际问题都有是不同程度的非线性的问题 而非线性问题的有限元法则是根据非线性 应力 应变的关系把它们逐段地化为一系列线性问题 用迭代法求解 因此线性分析是非线 性分析的基础 非线性是指叠加原理不再适用的问题 1 2 2 非线性问题类型 非线性问题通常由于其产生的原因不同 分为三类p 9 1 物体几何尺寸的非线性 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 由物体的几何尺寸的大变形所引起的非线性问题 其原因在于在物体的模型方程中变 形引起几何微分方程中应变和位移梯度关系出现乘积项 在求解过程中 导致整个结构的 非线性的响应 2 物体材料的非线性 物体材料引起的非线性问题是最常见的非线性问题之一 影响材料的非线性的因素很 多 如温度 载荷等 3 物体状态的变化引起的非线性 不同的结构会表现出不同的状态 其中很多结构是非线性的 原因在于 系统的刚度 会随着系统的状态的改变而改变 1 2 3 热非线性问题分析特点 热非线性模型与线性模型有一些共同点 但也有许多需要特殊考虑的问题 主要有以 下四个方面 删 1 热辐射 在模型中这是个非常大的非线性特征 其中辐射对传导矩阵 k 的贡献是 温度的模拟控制 另外辐射采用一些特殊单元建模 2 控制单元 可以改变状态的单元类型经常被用于模拟温度控制 但这些单元的实常 数相对比较复杂 必须仔细选择 3 与温度有关的条件输入 在热模型中 引起非线性的原因还有随温度变化的边界条 件和材料特性 如表面传热系数 导热率等 1 3a n s y s 应用概述 1 3 1a n s y s 在温度场中的应用 有限元方法发展到今天 已经成为一门非常复杂而实用工程技术 有限元分析的最终目 的是将一个实际的工程系统问题转化为一个数学行为特征 即有限元分析必须针对一个物 理原型进行分析 准确的构造一个数学模型出来 其中模型包括所有节点 单元 材料属 性 实常数等各种边界条件 模型中使用它们来体现这个物体的物理特征 a n s y s 是一 种包含有结构力学 热力学 流体力学 电磁学和声学的大型c a e 有限元分析软件 a n s y s 广泛的应用于航空航天 机械电子 汽车交通 等工业和科学研究领域 a n s y s 的学习 和应用是一个复杂的过程 需要系统的进行学习 由于它涉及力学 热学 电磁学 声学 等方面的知识 所以在使用过程中需要学习大量的理论知识 以加深对实际问题的理解和 提高解决问题的能力 1 3 2a n s y s 进行有限元分析的过程 有限元分析是利用数学近拟的方法对现实中的物体系统 包括物体的载荷 运动状态 等物理现象进行模拟 通过求解单元体的未知量来最终求解出整个系统的未知量 有限元 分析计算精度高 行之有效 因此被广泛采用 使用a n s y s 软件进行有限元分析时 方便快捷 随着时间的发展 a n s y s 软件日趋 成熟 功能日见强大 a n s y s 提供的模拟分析工具可运用于各种平台 同时 图形化的 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 界面使得更为直观和易于操控 利用a n s y s 的参数设计言来扩展宏命令 可以更加快速 有效的分析处理文件 使用a n s y s 软件进行在进行有限元分析 有三个主要的步犁删 1 在a n s y s 中创建实体模型 在a n s y s 中创建实体模型有两种方法 使用c a d 软件中创建实体模型 如u g p r o e a u t o c a d s o l i d w o r k s 等 然后将模型导入a n s y s 直接在a n s y s 中创建实体模型 由于a n s y s 中建模能力不如u g p r o e a u t o o a d s o l i d w o r k s 等三维 软件强 所以很多情况下采用在c a d 软件中建模 然后导入a n s y s 2 设定实体模型的材料属性 材料属性是指在a n s y s 建模中设定模型的材料类型 用来模拟实体模型在真实情况 下的各种物理性能参数 通常情况下模型中包含一种或几种不同的材料 因此需要逐一定 义 3 对模型进行网格划分 网格划分是运用a n s y s 进行有限元分析中重要的一环 划分网格时先要煊义网格的 单元属性 如单元类型 实常数等 然后需要选择网格划分类型 如自由划分或是人工划 分 2 在实体模型上施加载荷和边界条件并加以求解 1 在实体模型上施加载荷和边界条件 在a n s y s 中对模型进行网格划分后 实体模型就转化为了节点和单元 因此我们在 实体模型上施加载荷和边界条件实际上是在节点和单元上施加载荷和边界条件 2 对实体模型进行有限元求解 在使用a n s y s 进行有限元示解时需要先分析求解类型 如结构静力学求解还是动力 学求解 瞬态求解还是稳态求解 线性分析还是非线性分析等 然后设定求解选项求解 3 查看模型有限元求解分析结果 在a n s y s 计算完成后 可以通过后处理器来查看结果 其中包括两个后处理模块 通用后处理器 p o s t l 和时间一历程后处理器 p o s t 2 6 通用后处理器主要用来查看整 个模型或是选定的部分模型的计算结果 时间一历程后处理器 p o s t 2 6 则用来查看模型的 特定点在某一时间步或所有时间步内的计算结果 并可以用来绘制图表 1 3 3a n s y s 中单元的选取 有限元分析时 首先将实体模型离散化 把模型整体分成若干个单元体 单元体的形 状简单 彼此通过节点相连 节点上可以施加载荷 同时节点也是空间中位置的坐标 可 以定义相关的自由度 结点与结点之间相互作用 有限元的分析就是求解不同节点的自由 度的值 在本文中输送辊道的温度场分析就是分析输送辊道模型上不同单元的温度自由 度 在整个有限元模型中 单元与单元之间的的特性是通过一些线性方程来相互制约的 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 即单元的特性是通过线性函数组来描述的 在这个整体数学模型中 单元构成了整个数学 模型 单元形函数则描述了整个模型的特性 其中 单元型函数是指计算节点和单元自由 度的方法 a n s y s 软件中包含有独立的单元库 库中定义了各种不同的单元类型 其中每种单 元类型代表一种计算类型 定义了相关的单元自由度和单元所在的空间类型 如二维空间 或是三维空间 在选择单元类型的过程中需要考虑以下两个方面的内容 1 选择合适自由度的单元体 根据不同的自由度需要先择合适的单元 并确定单 元类型 如线 面 体 二维或三维空间单位类型 2 选择采用的单元类型 如线形单元 四面体单元或p 单元等等 不周的单元类型 存在较大的差异 例如 单元的自由度分为线性和非线性 而非线性又分成二阶和p 阶的 其中p 阶单元的自由度变化是从2 阶n 8 阶都有 且在求解时能够自动控制其收敛性 同时 在计算分析中自动采用合适的计算阶数以适应不同的位置分析 1 3 3a p d l 语言简述 a p d l 的全称是a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e 是一种参数化设计语言 它由程 序设计语言和a n s y s 命令组成 a p d l 语言可用于设计程序 来完成一些建模仿真 优 化设计 自适应网格划分等a n s y s 应用操作 为完成工作提供了便利 a p d l 最大的好 处在于可以实时的修改程序 特别是当模型较复杂或修改的地方较多时 采用平时的步骤 重新建模 加载 可能会浪费很多时间和花费大量的人力物力 使用a p d l 则可以通过修 改部分原代码的基础上为用户了自动完成整个过程 也就是说 程序的输入可设定为根据 指定的函数 变量及选出的分析标准作决定 特别是它可以进行较为复杂的数据录入 使 用户可以对自己的设计或分析进行任意的调整 如 几何尺寸 材料 边界条件和网格密 度等 a p d l 扩展了a n s y s 传统的有限元分析能力 通过程序的编写扩充了高级运算的 能力 其中包括对灵敏度研究 零件参数化建模 参数设计修改及设计优化等方面 为用 户进行复杂计算建模 有限元分析提供了很大的便利 a p d l 程序设计语言的使用和其它编程语言一样 具备有参数 数组表达式 函数等 同时可以实现循环 重复等命令以及缩写 宏等 a n s y s 程序由1 0 0 0 多条命令组成 这 些命令可以进行程序设计 编写相关的程序 如进行参数赋值 表达式赋值 a p d l 命令 从功能可以实现a n s y s 有限元分析过程中的各个步骤 如创建几何模型 划分网格 材 料属性定义 施加载荷和边界条件 进行求解和后处理等 用户可以利用a p d l 语言将a n s y s 的命令组织起来 编写具有参数化的自己的程序 实现a n s y s 分析的整个流程 进行参数化的建模 网格划分与材料属性定义 参数化的 施加载荷 边界条件 求解和后处理等整个a n s y s 有限元分析全过程 1 4 本课题选题意义及研究内容 1 4 1 本课题选题意义 热轧中间坯在粗轧机组与精轧机组之间的输送辊道上运行时间长 由于温降 中间坯 武汉科技大学硕士学位论文 第7 页 首尾温差大 边部温降严重 造成c l n 不稳定及边部开裂 导致废品率和设备故障率升高 为了减少温降 提高产品质量 通常在粗轧机组与精轧机组之间的输送辊道上加设保温罩 加设保温罩后 运行效果好 降低了能耗和设备故障率 但是输送辊道的温度也随之升高 经常发生辊子两端轴承卡死的现象 本文通过有限单元仿真分析整个输送辊道系统的温度 场分布 通过水冷换热公式计算得出喷水冷却水量 为制定输送辊道的冷却方案提供依据 以保证输送辊道在加设保温罩后也能正常运转 1 4 2 本课题研究内容 本课题研究的主要内容是通过分析热轧输送辊道系统在运转过程中的温度场变化 为 解决输送辊道系统中轴承卡死的问题 提出相应的水冷解决方案 其中输送辊道系统的温 度场在运行过程中是不断变化的 在采用有限单元法对输送辊道温度场进行数值仿真建模 时 输送辊道系统在运行过程中受到交变载荷的作用 如果建立成一个三维整体模型进行 加载计算 则边界条件和载荷加载过于复杂 计算非常困难 因此 为了能够既对现实情 况进行合理的模似 同时也能够减少计算量 降低计算难度 我们必须对模型进行简化处 理 由于输送辊道系统的温度载荷都是对称于输送辊子轴线的 因此可以将输送辊道系统 模型简化为轴对称的平面问题来进行分析 这样既能够合理的反应实际运行过程中输送辊 道系统内部的温度场变化 又可以简化计算 本文将输送辊道系统的研究分解成两个部分 辊身径向截面瞬态温度场计算和辊系轴 向稳态温度场计算 在分析辊身径向截面瞬态温度场计算时 将辊道辊子简化为平面瞬态 温度场计算 这样可以真实的反映输送辊道在铸坯通过时受到铸坯的高温传导及辐射后 温度场的变化情况 通过此步骤可以获得辊子剖面的温度场分布及辊身温度与时间的数 据 在辊系轴向稳态温度场计算中 将径向截面上辊道稳定时的温度与时间的数据作为边 界条件 加载到轴截面模型上的辊身 进行稳态分析 从而获得整个输送辊道系统运行过 程中的温度场分布 这样的分解既降低了计算的难度 同时将真实的工况合理的进行分解 以准确的反映整个输送辊道的运行过程 最后通过水冷换热公式计算得出输送辊道冷却系 统喷水冷却水量 具体工作如下 1 建立输送辊子的模型 采用有限元法分析输送辊道辊子的温度分布 得出辊子 达到热平衡时所需的时间 分析得到辊身上各点温度与时间的数据 2 建立输送辊道系统的整体模型 其中包括输送辊道辊子 轴承 水冷系统等 将得到的输送辊辊身的温度与时间的数据做为初始载荷加载 对系统的温度场进行有限元 分析 3 针对辊道系统中轴承的温度变化情况 调整冷却系统水冷强度 计算喷水量 为实际生产提供理论参考 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章输送辊道系统温度场分析的理论基础 2 1 引言 本文是研究保温罩内输送辊道系统的温度场 其中在车l s f j 过程中保温罩内输送辊系统 温度场的变化规律是研究过程中重点环节 由于保温罩内在不同的阶段存在许多种不同的 的传热方式 如热传导 热对流等 因此 全面考虑各个阶段的情况 构建一个合理的保 温罩内输送辊道模型 使其能够满足实际 实现数值求解的温度场模型 成为解决这问题 的重点 2 2 温度场分析的理论基础 2 2 1 傅立叶定律和导热微分方程 物质系统内各个点上温度的集合称为温度场 它是时间t 和空间坐标 x y z 的函 数 即吲x y z t 温度场分为稳态和瞬态两种 不随时间变化而变化的温度场称为 稳态温度场 随时间改变而改变的温度场称为瞬态温度场 4 由物体的温度场分布图上可以看出 温度变化最大的地方是等温面的法线上 因此 物体的温度梯度定义为 g r a d t l i m a r 望 2 1 an 0a n a n 温度梯度为矢量 其正方向是温度上升的方向 在经过大量的试验 傅立叶提出了导热的基本定律 g 一名 g r a d t g 等 2 2 g 一一热流量 是在物体内单位面积上通过的热量 l 导热系数 它的大小是表征物体导热能力 式中的 一 表示导热的方向是顺着温度下降的方向 设定被研究物体在各个方向上具有相同的性质 如比热容 导热系数 密度等物理性 能参数 如图所示 图2 1 为物体中任意一个单元正方体 图2 1 三维导热分析 武汉科技大学硕士学位论文 第9 页 由前述傅立叶定律司知 由x y z 三个方向上导入的热量为 纨 一五 i a t d y d z g 孕 触 q 矗孥 妫 从单元体导出的热量为 q 出 一a i a t i a t d x d y 出 戗o 一力 杀 r 等训诎 q z 士 一名 昙 丁 i a t d z 蚴 如果物体内部没有热量产生时 由能量守恒定律可得 在单位时间内热量流入与流出 应该与单元体内热量的增加或减少相等 4 其数学表达式为 a q p c i d t d r d y d z 2 3 由式中2 3 可推导出 q 级 g 叫窘 窘 窘 蚴 塑塑 罢去 4卜筹 塑 i 警 鱼亏塑 i dt a ta ta ta tq 塑o x q 筹 吐 望b z 2 4 一一 一 一 一 j 一十仃j 一十 一 i 三 1 苏街 却 龙 5 7 咖 2 其中 吐 q 哆溉 y z 三个方向的物体内的热流量速度 当物体为固体时 q o y 国 式 2 3 可以简化为 百a t 石2 万0 2 t 矿a 2 t 窘 v 2 r 2 5 因此 式 2 5 就是固体情况下的导热微分方程式 也称为傅立叶微分方程 当为稳态传热 即 a t 0 a 式2 5 可化简为 历2 百a 2 t 寄 可a 2 t 0 化简为av 2r o 2 6 第l o 页 武汉科技大学硕士学位论文 其中 口 热扩散率 是物体温度趋于平衡状态的能力 是物体的一种物理性质 v 2r 一 t 的拉普拉斯算子 其中 v 2t 乏0 时 正在加热物体 v 2 r 0 时 正在冷却物体 v 2r 0 时 物体正处于平衡状态 具有稳定的温度场 4 2 1 当坐标系为柱面坐标时 如图2 2 所示 图2 2 柱坐标导热分析图 式 2 5 可以写为 iat叫窑 丁 丢窑 窑 2 7 v 百卸 萨 r o r 7 萨 萨 如果热量来自于物体内部 则由式2 3 可以推导出导热微分方程为 i a t 四2 丁 一1 吼 2 8 叭 c p g 广 一单位时间 单位容积内所产生的热量为w m 当物体处于稳态时 上式可化简为 四2 r 二吼 0 2 9 c p 2 2 2 定解条件 导热微分方程是对物体导热的一种数学描述 它揭示了物体中各个点的温度之间的联 系 但是它无法描述具体的热量在物体内部的传导过