（机械设计及理论专业论文）h型钢热轧过程中奥氏体微观组织演变规律研究.pdf

r e s e a r c h0 na u s t e n i t e 上 1 l c r 0 s t r u c t u r e 一 一 l j e v o l u t i o ni nh b e a mh o t r o l l i n g c a n d i d a t e z h a n gb o s p e c i a l t y m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y s u p e r v i s o rp r o f z h a n gq i n h e p r o f c h e nj u h u a s h a n d o n gu n i v e r s i t y a p r i l 2 0 1 0 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 均己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 盈生遮 日 期 碰辜立国狎固 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 蔓垒蹙导师签名 已边豸日期 碹鲣支日砷目 摘要 i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论 1 1 1h 型钢的特点及发展 1 1 1 1h 型钢简介 1 1 1 2h 型钢发展历史及趋势 1 1 1 3 热轧h 型钢生产流程 3 1 2 塑性加工技术的发展 3 1 3 有限元模拟技术的发展及研究现状 5 1 3 1 有限元法理论的发展 5 1 3 2 有限元分析工具的发展及对比 一6 1 3 3 塑性加工过程有限元模拟的研究现状 8 1 4 课题来源及主要内容 1 2 1 5 课题研究的目的和意义 1 3 第2 章h 型钢轧制过程模拟的有限元理论基础 1 5 2 1 弹塑性有限元基本理论 1 5 2 1 1e u l e r 虚功方程 1 6 2 1 2 弹塑性体的增量理论 1 7 2 1 3 弹塑性有限元法简介 1 9 2 2 金属塑性加工过程温度场的有限元理论 2 1 2 2 1 热传导方程 2 1 2 2 2 温度场的初始条件和边界条件 2 2 2 2 3 传热问题的泛函 2 3 2 3 奥氏体组织演变模型 2 4 2 3 1 再结晶动力学模型 2 5 2 3 2 再结晶模型的增量形式 2 6 2 4 本章小结 2 7 第3 章h 型钢轧制过程中微观组织演变的有限元模拟 2 9 山尔人学硕士学何论文 3 1q 2 3 5 材料热模拟实验 2 9 3 2 建立g l a u 过程有限元模型 3 0 3 2 1 理论模型 3 0 3 2 2 几何模型和初始边界条件 3 1 3 3 轧制过程网格重构技术 3 4 3 3 1 稳态单元信息提取 3 4 3 3 2 数据映射到新单元 一3 7 3 4 奥氏体演化模型的实现 一3 8 3 5h 型钢g l n 过程有限元模拟及实验验证 3 9 3 5 1 轧制过程模拟结果及分析 3 9 3 5 2 温度场实验 4 2 3 5 3 金相组织实验验证 4 3 3 6 本章小结 4 5 第4 章奥氏体微观组织演变影响因素分析 4 7 4 1 粗轧阶段奥氏体微观组织影响因素分析 4 7 4 1 1 单道次下影响奥氏体再结晶 晶粒大小的因素 4 7 4 1 2 多道次下影响奥氏体组织因素 5 2 4 2 精轧阶段奥氏体微观组织影响因素分析 5 6 4 2 1 单道次下影响奥氏体再结晶 晶粒大小的因素 5 6 4 2 2 多道次下应变分布对奥氏体组织的影响 6 0 4 3 工艺参数优化方向 6 2 4 3 1 粗轧工艺参数优化 6 2 4 3 2 精轧工艺参数优化 6 2 4 4 本章小结 6 3 第5 章印神经网络模拟的优化设计 6 5 5 1b p 神经网络原理 6 5 5 2b p 神经网络理论基础 6 6 5 2 1b p 网络结构 6 6 5 2 2b p 网络学习公式推导 6 6 5 3b p 神经网络的建立与训练 6 7 5 3 1 网络设置 6 7 0 攻读硕士学位期间发表的学术论文 9 1 i i i 9 o 9 1 3 5 9 6 7 7 8 8 8 8 1 1c h a r a c t e r i s t i c sa n dd e v e l o p m e n to fh b e a m 1 1 1 1i n t r o d u c t i o no fh b e a m 1 1 1 2h i s t o r ya n dt r e n d so fh b e a m 1 1 1 3p r o d u c t i o np r o c e s so f h o t r o l l e dh b e a m 3 1 2d e v e l o p m e n to f p l a s t i cp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y 3 1 3d e v e l o p m e n to ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nt e c h n o l o g y 5 1 3 1t h e o r e t i c a ld e v e l o p m e n to f f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 5 1 3 2d e v e l o p m e n ta n dc o m p a r eo f f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st o o l 6 1 3 3r e s e a r c hs t a t u so ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ni np l a s t i cw o r k i n gp r o c e s s 8 1 4s o u r c ea n dt h ec o n t e n to fp r o j e c t 12 1 5p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo f p r o j e c t 1 3 c h a p t e r 2t h e o r e t i c a lb a s i so ff e ms i m u l a t i o nf o rh b e a mr o l l i n gp r o c e s s 15 2 1b a s i ct h e o r yo f e l a s t i c p l a s t i cf i n i t ee l e m e n t 15 2 1 1e u l e rv i r t u a lw o r ke q u a t i o n 16 2 1 2i n c r e m e n t a lt h e o r yo fe l a s t i c p l a s t i cm a t e r i a l 17 2 1 3b r i e fi n t r o d u c t i o no fe l a s t i c p l a s t i cf e m 19 2 2f i n i t ee l e m e n tt h e o r yo f t e m p e r a t u r ef i e l di nm e t a l f o r m i n g 2 1 2 2 1f o r m u l ao fh e a tt r a n s f e r 21 2 2 2i n i t i a la n db o u n d a r yc o n d i t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l d 2 2 2 2 3f u n c t i o n a l so fh e a te x c h a n g e 2 3 2 3a u s t e n i t i cm i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o nm o d e l 2 4 2 3 1r e c r y s t a l l i z a t i o nk i n e t i c sm o d e l 2 5 2 3 2i n c r e m e n t a lf o r mo f r e c r y s t a l l i z a t i o nm o d e l 2 6 2 4b r i e f s u m m a r y 2 7 c h a p t e r3f e m s i m u l a t i o no fm i c r o c o s m i ce v o l u t i o ni nh b e a mr o l l i n g 2 9 1q 2 3 5t h e r m a ls i m u l a t i o nt e s t 2 9 3 2s e tu pf e mm o d e lo fh o tr o l l i n g 3 0 3 2 1t h e o r e t i c a lm o d e l 3 0 3 2 2g e o m e t r i c a lm o d e la n di n i t i a lb o u n d a r yc o n d i t i o n 3 1 3 3t h r e e d i m e n s i o n a lr e m e s h i n gt e c h n o l o g yi nr o l l i n g 3 4 3 3 1e x t r a c t i n gi n f o r m a t i o no f s t e a d ys t a t ee l e m e n t 3 4 3 3 2g r i dd a t am a p p i n gt on e we l e m e n t 3 7 3 4r e a l i z a t i o no f a u s t e n i t ee v o l u t i o nm o d e l 3 8 3 5f e ms i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o no fh b e a mr o l l i n gp r o c e s s 3 9 3 5 1r o l l i n gp r o c e s ss i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i s 3 9 3 5 2t e m p e r a t u r ef i e l de x p e r i m e n t 4 2 3 5 3m i c r o s t r u c t u r ee x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n 4 3 3 6b r i e fs u m m a r y 4 5 c h a p t e r4i n f l u e n c i n gf a c t o ra n a l y s i so fa u s t e n i t i cm i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o n 4 7 4 1f a c t o r sa n a l y s i so fa u s t e n i t i ci nr o u g hr o l l i n g 4 7 4 1 1f a c t o r si ns i n g l e p a s st i m e s 4 7 4 1 2f a c t o r si nm u l t i p a s st i m e s 5 2 4 2i n f l u e n c i n gf a c t o r sa n a l y s i so fa u s t e n i t i cm i c r o s t r u c t u r ei nf i n i s h i n gr o l l i n g 5 6 4 2 1i n f l u e n c i n gf a c t o r si ns i n g l e c h a n n e lt i m e s 5 6 4 2 2s t r a i nd i s t r i b u t i o ne f f e ct oa u s t e n i t ei nm u l t i p a s s 6 0 4 3d i r e c t i o no f p r o c e s sp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n 6 2 4 3 1p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o ni nr o u g hr o l l i n gp r o c e s s 6 2 4 3 2p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o ni nf i n i s h i n gr o l l i n gp r o c e s s 6 2 4 4b r i e fs u m m a r y 6 3 c h a p t e r5o p t i m a ld e s i g no fb p n e u r a ln e t w o r ks i m u l a t i o n 6 5 5 1b a s i cp r i n c i p l eo fb pn e u r a ln e t w o r k 6 5 5 2t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no fb pn e u r a ln e t w o r k 6 6 5 2 1b pn e t w o r ks t r u c t u r e 6 6 5 2 2b p l e a r n i n gf o r m u l ad e r i v a t i o n 6 6 5 3e s t a b l i s h m e n ta n dt r a i n i n go fb pn e u r a ln e t w o r k 6 7 5 3 1n e t w o r ks e r i n g s 6 7 5 3 2b pn e u r a ln e t w o r kp r o g r a m 6 9 1 1 1 试件进行8 0 01 3 0 0 c 之间的热模拟试验 获取高温变形条件下材料的热物理属 性 为计算机模拟轧制过程提供了尽可能贴近现实的材料性质 利用大型有限元软件a b a q u s 平台 重构了h 型钢轧制过程的三维有限元热力 耦合模型 根据实际生产条件 设定初始条件和边界条件等参数 采用网格重构 方法实现了多道次大变形轧制 采用有限元 b p 网络对奥氏体微观组织演变进行数字化模拟 并进行了温度实 验和金相观测实验验证 通过对不同的工艺参数组合进行模拟计算 得出了各个 参数对奥氏体组织演变的影响规律 分析了轧制过程中奥氏体微观组织演变的影 响因素 利用热力耦合大变形理论 在对热轧过程中金属的变形 温度分析的基础上 对生产工艺参数进行了优化 利用有限元分析对优化结果进行了预测 预测结果 明显优于现有结果 关键词h 型钢 有限元 b p 神经网络 模糊优化 山东省经委技术创新项目 编号 2 0 0 3 1 8 2 t h em i c r o s t r u c t u r e t h ep e r f o r m a n c eo fh b e a mp r o d u c t sc a nb ei n c r e a s e dt om e e tt h e higherr e q u i r e m e n t sb yo p t i m i z i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s i nt h i sp a p e r h o t r o l l e dm e d i u m s i z e dh b e a mw a sc h o s et ob er e s e a r c ht o p i c t h e r m a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n tu n d e rh i g ht e m p e r a t u r eb e t w e e n8 0 0 13 0 0 w a s c a r r i e do u t b y g l e e b l e 一15 0 0t h e r m a ls i m u l a t i o n t e s t i n gm a c h i n e a n do b t a i n e d t h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t yo fm a t e r i a l s t h em a t e r i a lp r o p e r t yt h a tm o s t l yc l o s et or e a l i t y w a sp r o v i d e dt ot h ec o m p u t e rs i m u l m i o no fr o l l i n gp r o c e s s t h r e e d i m e n s i o nm o d e lc o u p l e dt h e r m o m e c h a n i c a lo ff e mw a sb u i l tt oa n a l y z e h b e a m r o l l i n gp r o c e s sb yl a r g e s c a l ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea b a q u s t h ei n i t i a l c o n d i t i o na n db o u n d a r yc o n d i t i o ne t cw e r ei n t e r c a l a t e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a lw o r k i n g c o n d i t i o n r e m e s h i n gt e c h n i q u ew a su s e dt oc a r r yo u tt om u l t i p a s sr o l l i n go fl a r g e d e f o r m a t i o n f e ma n db pm e t h o d sw e r ea d o p t e dt or e a l i z ea u s t e n i t i cm i c r o s t r u c t u r e d i g i t a ls i m u l a t i o n a n d t h er e s u l ti sv a l i d a t e db yt e m p e r a t u r ea n dm e t a l l o g r a p h i c o b s e r v a t i o n se x p e r i m e n t s d i f f e r e n tc o m b i n a t i o n so ft h ep a r a m e t e r sw e r ec a l c u l a t e d v a r i o u sp a r a m e t e r s i m p a c t st ot h ea u s t e n i t ee v o l u t i o nw e r ef o u n d a n dt h ef a c t o r so f a u s t e n i t i cm i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o nw e r ea n a l y z e d u s i n gt h e r m a lc o u p l i n gl a r g e d e f o r m a t i o nt h e o r y b a s e do nt h ea n a l y s i so f d e f o r m a t i o na n dt e m p e r a t u r ei nh o tr o l l i n gp r o c e s s t h ep r o d u c t i o np r o c e s sp a r a m e t e r s w e r eo p t i m i z e d t h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t sw e r ep r e d i c t e db yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s p r e d i c t i v er e s u l t sw e r eb e u e rt h a nt h ee x i s t i n gr e s u l t s k e y w o r d sh b e a m f e m b pn e u r a ln e t w o r k f u z z yo p t i m i z a t i o n i i i 1 1h 型钢的特点及发展 1 1 1h 型钢简介 第1 章绪论 h 型钢是由工字型钢优化发展而成的一种断面 力学性能更为优良的经济型断面钢材 其断面与英 文字母 h 相同而得名 如图1 1 所示 和普通 工字钢相比 h 型钢具有更好的力学性能 相同单 重时截面模数大 比普通工字钢抗弯能力大 以热 轧h 型钢为主的钢结构 其结构科学合理 塑性和 柔韧性好 结构稳定性高 承受振动和冲击载荷能 图卜lh 型钢示意图 缘 力强 特别适用于一些多地震发生带的建筑结构 h 型钢还具有施工简单 节约成 本和结构重量轻等优点 优良的断面性能 使h 型钢具有良好的使用性能 h 型钢 是一种多用途高效经济性钢材 在工程中的使用价值很高 完全覆盖普通工字钢 1 1 2h 型钢发展历史及趋势 热轧型钢诞生一百多年来 经历了三个发展阶段 第一阶段即普通型工字钢 第二阶段是窄腿h 型钢 第三阶段为宽腿h 型钢 平行腿工字钢 8 0 m mx8 0 r a m 最初是由德国格拉茨厂用普通三辊式轧机轧成 的 质量极不稳定 在1 8 5 0 1 8 6 0 年间 人们发明了万能轧机 这种力 能轧机由 两个水平辊和一对立辊组成 水平辊由电机驱动 立辊靠轧件摩擦力带动 一般 力 雠f l s l 机和力 能中间机组是可逆多道次轧制 万能精轧机为一道次不可逆轧制 它作为精轧机架与二辊和三辊横列轧机一起工作 用万能轧机作精轧机的方法可 以获得平行腿部 这种方法能生产出平行腿工字钢和中等尺寸的宽腿工字钢 但 不能成系列的生产型钢 可见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 9 5 7 年9 月第一批i p e 系列的宽腿工字钢在培因厂诞生 由于i p e 系列及i p b 山尔火学硕 学化沦丈 柱及桩型h 型钢 系列的工字钢是平行腿工字钢 其断面如英文字母 h 故 人们称这种平行腿工字钢为h 型钢 有的也称其为宽腿工字钢 实际上凡是腿内 侧无斜度的工字钢都通称为h 型钢 h 型钢一般包括做梁 柱和桩用的各种腿内侧 无斜度的工字钢 2 0 世纪7 0 年代 我国开始生产h 型钢生产 包钢轨梁厂曾用二辊孔型加装立辊 框架的方式生产过少量的热轧h 型钢 随后武汉 上海 鞍山 宝鸡等地的金属结 构厂和桥梁厂生产了部分规格的焊接h 型钢 八五 期间我国开始通过改造中型 型钢轧机发展h 型钢生产 先后在马钢 鞍山轧钢厂改造6 3 0 机建成两条h 型钢生 产线 生产小型h 型钢 产量不n 8 万吨 1 9 9 8 年和1 9 9 9 年马鞍山钢铁股份有限公司和莱芜钢铁集团分别引进德国和日 本的万能连轧设备并相继投产 开始生产多种规格的热轧h 型钢 截至2 0 0 2 年8 月 马钢已按各种标准开发生产了l7 0 个规格的h 型钢产品 莱钢大型h 型钢工程是莱钢 十五 期间实施产业结构调整的重点工程 也是我国目前规模最大 自动化程 度最高 生产技术装备最先进的h 钢生产线之一 具有世界先进水平 与小型 中 型规格的h 型钢产品实现系列化 马钢和莱钢已经成为两个目前中国h 型钢品种规 格最全的生产基地 未来h 型钢生产加工的发展研究方向主要集中在一下几个方面 1 提高尺寸精度和形状精度 提高内部组织性能 目前世界上h 型钢腹板 和翼缘的厚度精度达到了 o 0 5 和 0 0 6 m m 日本己采用在万f i e l 机前后设置新 研制的轧边机和辊式导板以防止h 型钢中心偏移 同时设置四个翼缘约束辊导向翼 缘上 下端 同时控制翼缘宽度 设置左右导卫板 防止轧件摆动 开发采用边 部控制冷却技术 解决h 型钢腹板与翼缘的温差问题 2 实现控轧 控冷 控制终轧温度及最终的微观组织 使产品具有优良的 性能 整个生产线实现连续化 自动化 所有轧机均采用计算机进行连续不断地 控制 自动调节张力并控制最小张力 在线采用激光等测量仪对h 型钢的腹板厚 边厚 腹板高 边宽 腹板两侧偏移量等进行测量 3 整个生产线减少坯料规格数量 用一种坯料轧制多规格的h 型钢 德国 采用压窄异形连铸坯的开坯s l n 方法 同本采用几种规格连铸坯直接切分轧成多 种异形坯的轧制方法 4 采用宽度可调的水平辊来实现腹板增宽及缩窄的轧制技术 快速换辊 2 提高s l l j 速度 达到高产量 同时使设备采用紧凑式布置 增大毛坯重量 采用 最大的轧制长度 提高生产率n 3 1 1 3 热轧h 型钢生产流程 热轧h 型钢生产流程如图1 2 所示 一般小号h 型钢多选用方坯 大号h 型 钢多选用异形坯 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 出炉 钢坯出炉后 先用1 8 0 0 m p a 的高压水除鳞 然后被送入开坯机初轧 开坯机一般为两辊往复式轧机 在开坯机上需要轧制7 1 3 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 再把轧件送入万能连轧机轧制进行 精轧 精轧后还要再次切去头尾 并按定货要求把轧件切成定尺长度再送往冷床 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 r 戮簖澄戮滋透r 一 f 誊一警一 己纛一 一 眵l 燎 图卜2h 犁钢轧制t 艺流程图 1 2 塑性加工技术的发展 塑性加工 又称压力加工 是以工件在一定力作用下产生塑性变形作为基本 特征的 对韧性材料试件拉伸时 当负荷较小时产生弹性变形 在外力去除后 这种变形可以恢复 当达到屈服点时 开始塑性变形 这时外力去除后 物体变 形将不恢复 从而得到预期的产品的形状 众所周知的锻造 冲压 s l n 拉拔 挤压等 塑性加工中对于工件的变形分析是建立在材料科学及塑性力学基础上的 装备的设计又是属于机械学科 而且近来工艺过程控制及模具设计越来越借助于 山东人学硕卜学位论文 计算机 c a d c a m 因此它是一门跨学科的技术晗3 1 8 6 4 年 法国工程师h t r e s c a 根据试验预言 塑性变形是因为材料内部的剪 应力达到一定极限时发生的 这个剪应力就是材料的剪切屈服极限应力 它是与 应力状态无关的物理常数 所以可通过设定的试验确定这个常数 这就是著名的 屈斯卡屈服准则 1 9 1 3 年 鉴于屈斯卡准则在用于三维应力状态时引起数学上的 不便 米塞斯 v m i s e s 提出了米塞斯准则 1 0 年之后 亨奇 h h e n c h y 认为 米塞斯准则表示各向同性材料内部所累积的单位体积形状变化位能达到一定值时 发生屈服 这个位能极限值只与材料性质有关 而与应力状态无关 因此米塞斯 准则又叫最大形状变化位能不变准则 塑性加工过程是在一定外力 载荷 和边界条件 加载方式 加载速度 约束条 件 几何形状 接触摩擦条件 温度场 下对材料进行 力 处理和 热处理 的 过程 材料发生了几何形状的变化与组织性能的变化 人们对这些变化要达到能 够控制的目的 不但要提供外部条件使材料能完成这些变化 还要使材料按照人 们的需求发生 定向 的变化 然而这些变化是相当复杂的 形状的变化不但取 决于外力载荷条件 温度 摩擦与约束条件 还取决于材料的变形抗力 硬化等 性能变化 在这个过程中温度 载荷速度 摩擦条件还难以准确地预测 材料组 织性能的变化更加复杂 对塑性加工过程中材料的这些复杂变化进行预测与控制就成为目前塑性加工 研究的重要方向 生产的需要是推动理论发展的原动力 逐渐孕育出塑性力学和 材料科学等科学理论 一般来说 金属塑性加工理论由金属塑性加工力学 塑性 变形材料学 塑性加工摩擦学三大部分组成 塑性加工力学随着塑性力学在金属塑性加工中的应用而发展起来的一门学 科 它有两个分支 一是研究弹塑性变形及小塑性变形的力学 主要用于结构的 超弹性设计 以充分发挥材料的强度潜力 另一分支是研究大塑性变形 主要用 于塑性加工及切削加工过程的分析 传统上的塑性加工研究者偏重于力学基础 仅从力学角度考虑材料的塑性加 工过程 忽视材料的组织性能变化 对材料变形简单化处理 这对常用材料的常 规加工过程基本适用 可以基本满足精度需要 但是对于有些问题 仅仅以材料 的宏观现象为描述对象 不涉及微观力学与材料的物理机制 将导致处理问题的 片面性 我们应该通过材料科学的理论和研究分析手段 对某些材料的性能进行 4 深入的探索研究 掌握材料的很多塑性变形本质规律 采用最佳塑性加工工艺及 加工参数 获得最高的成形极限 掌握材料塑性加工过程的破坏机理 避免塑性 加工中的材料破坏及失效 因此金属塑性加工材料学应运而生 金属塑性加工材料学 运用物理冶金原理对塑性变形过程中金属组织性能变 化规律进行研究而形成的一个分支 更多地从材料的微观物理机制出发 解释材 料在加工过程中发生的位错运动 相变 第二项析出 晶粒旋转 长大 晶界变 化 晶粒变形 织构变化 回复与再结晶等现象 材料学与塑性力学相结合 可 以综合地从宏观到微观对材料的塑性加工过程进行全面分析 塑性加工中接触表面间的相对运动必然引起摩擦 在摩擦过程中运动表面间 将发生一系列物理 化学和力学变化 这些变化对金属变形过程和产品的质量将 产生重要的影响 研究塑性加工过程中的摩擦 润滑和磨损现象的特点及其规律 是金属塑性加工摩擦学的重要任务 金属成形过程是一个高度非线性过程 变形机理 工艺条件都非常复杂 用 常规方法很难进行精确的数学 力学分析 而传统的物理模型也无法再现塑性成 形的各种工艺条件 因此 制造行业迫切需要通过数值仿真工具 快速而有效地 获得对塑性加工过程进行全方位 全过程的准确模拟 由于有限元法 f e m 具有解 决成形过程中复杂的模具 工件界面和边界条件的能力 因此成为解决复杂成形 过程的主要方法 下面从有限元法的发展历程 引出用于模拟型钢热轧过程的有 限元方法的现状 困难及其研究热点 1 3 有限元模拟技术的发展及研究现状 1 3 1 有限元法理论的发展 有限元法是随着高速数字计算机的发展而发展起来的一种求解微分方程的数 值方法 它最先广泛应用于结构力学领域 1 9 4 3 年 c o u r a n t 首次尝试应用定义 在二角形区域卜的分片连续函数与最小位能原理相结合 来求解圣维南 s t v e n a n t 扭转问题 第一次提出单元的概念 1 9 4 5 1 9 5 5 年 a r g y r i s 等人在结 构矩阵分析方面取得了很大进展 1 9 5 6 年 t u r n e r c l o u g h 等现代有限元法的成 功创始人把刚架位移法的思路推广应用于弹性力学平面问题 1 9 6 0 年 c l o u g h 首 先把解决弹性力学平面问题的方法称为 有限元法 并将有限元方法描绘为 有 山尔人学硕十学位论文 限元法 r a y l e i g hr i t z 法 分片函数 1 9 6 3 1 9 6 4 年 b e s s e l i n g 等人证明了有 限单元法是基于变分原理中的r i t z 法的另一种形式 从而可以将里兹法分析的所 有理论基础用到有限单元中 确立了有限单元法处理连续介质问题的普遍性 利用变分原理建立起来的有限元方程和经典里兹法的主要区别在于 有限单元 法假设的近似函数不是在全求解域上 而是在单元上规定的 并且事先并不要求 满足任何边界条件 因此 可以用来处理复杂的连续介质问题 从6 0 年代后期开 始 进一步发展了利用加权余量法来确定单元特性和建立有限元求解方程 基于 加权余量法中的伽辽金 g a l e r k i n 法建立有限元求解方程 可以知道问题的微分 方程和边界条件 不必局限于尚未找到的泛函 因此进一步扩大了有限元法的应 用领域 国内在有限元理论的研究方面也有很大的发展 1 9 6 4 年冯康教授独立于西方 创立了数值求解偏微分方程的有限元方法 形成了标准的算法形态 编译了通用 的计算程序 并及时地解决了当时我国最大的刘家峡水坝的应力分析问题 1 9 6 5 年 他在 应用数学与计算数学 上发表了 基于变分原理的差分格式 一文 在极其广泛的条件下证明了该方法的收敛性和稳定性 给出了误差估计 从而建 立了有限元方法严格的数学理论基础 为其实际应用提供了可靠的理论保证 半个多世纪以来 有限元法的应用已经由弹性力学平面问题扩展到空间问题 板壳问题 由静力平衡问题扩展到稳定问题 动力问题 波动问题 分析的对象 从弹性材料 扩展到塑性 粘塑性 粘弹性和复合材料等 从固体力学扩展到流 体力学 传热学等领域 在工程中的作用也从分析和校正扩展到优化设计 并和 计算机辅助设计技术相结合 随着现代力学 计算数学和计算机技术的发展 有 限单元法成为一种具有巩固理论基础和广泛应用效力的数值分析方法 必将在国 民经济建设和科学技术发展中发挥更大的作用 1 3 2 有限元分析工具的发展及对比 有限元理论的研究成果为有限元分析系统的发展和应用奠定了基础 计算机 技术的发展为其提供了条件 7 0 年代以来 相继出现了一些通用的有限元分析系 统 女h s a p a s k a n a s t r a n 等 这些有限元分析系统可进行航空航天领域的结构强 度 刚度分析 从而推动t f e m 在工程中的实际应用 8 0 年代以来 随着工程工作 站的出现和广泛应用 原来运行于大中型机上的f e a 系统得以在其上运行 同时也 6 第1 章绪论 出现了一批通用的f e a 系统 如a n s y s p c n i s a s u p e r s a p 等 9 0 年代以来 随着 微机性能的显著提高 大批有限元分析系统纷纷向微机移植 出现了基于w i n d o w s 的微机版系统 下面是目前常用的几个有限元分析软件比较 d y n a f o r m 软件建立有限元方法基础之上 主要用于模拟钣金成形工艺 d y n a f o r m 软件包含b s e d f e f o r m a b i l i t y 三个大模块 几乎涵盖冲压模具 设计的所有要素 d y n a f o r m 软件可以预测成形过程中板料的裂纹 起皱 减 薄 划痕 回弹 成形刚度 表面质量 评估板料的成形性能 从而为板料 成形工艺及模具设计提供帮助 m s c m a r c 是功能齐全的高级非线性有限元软件的隐式求解器 具有极强 的结构分析能力 可以处理各种线性和非线性结构分析 它提供了丰富的结 构单元 连续单元和特殊单元的单元库 几乎每种单元都具有处理大变形几 何非线性 材料非线性 包括接触在内的边界条件非线性以及组合的高度非 线性的超强能力 a n s y s 软件融结构 流体 电场 磁场 声场分析于一体的大型通用有限 元分析软件 它能与多数c a d 软件接口 实现数据的共享和交换 a n s y s 有限 元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序 可以用来求解结构 流体 电力 电磁场及碰撞等问题 软件主要包括三个部分 前处理模块 分析计算 模块和后处理模块 软件提供了1 0 0 种以上的单元类型 用来模拟工程中的各 种结构和材料 a b a q u s 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件 其解决问题的范围从 相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题 包括一个丰富的 可模拟任 意几何形状的单元库 并拥有各种类型的材料模型库 可以模拟典型工程材 料的性能 a b a q u s 除了能解决大量结构问题 还可以模拟其他工程领域的许 多问题 它有两个主求解器模块a b a q u s s t a n d a r d 和a b a q u s e x p li c i t 在上述这些软件中 m s c m a r c a n s y s 均采用隐式算法 而a b a q u s 采用 隐式和显式两种算法 隐式算法必须进行通过迭代确定非线性问题的解答 而显式算法通过由前一增量步的数据显式的前推动力学状态 确定解答无需 进行迭代 应用显式方法 即便对于一个给定的可能需要大量时间增量步的 分析 如果同样的分析应用隐式方法需要大量的迭代 那么应用显式方法进 行分析更为有效 对于同样的模拟 显式算法的另一个优点就是它需要的磁 7 山东大学硕七学位沦文 盘空间和内存远远小于隐式算法 对于需要比较两个程序计算成本的问题 能节省大量磁盘空间和内存的显式算法更具有吸引力 1 1 3 3 塑性加工过程有限元模拟的研究现状 目前国内外关于塑性加工过程的有限元模拟技术的现状 主要从沿两条主线 进行概括总结 一方面是从简单截面的型材到异型材的塑性加工模拟研究 另一 方面 从使用的工具入手 分析各种有限元软件的优劣 1 塑性加工模拟研究 近年来 大变形弹塑性有限元法在塑性成形领域的应用有了较大的进展 人 们用弹塑性有限元法分析了许多钢铁加工轧制过程 起初受到计算机计算速度和 商业软件计算功能限制的影响 钢铁轧制的仿真主要集中在板材的加工仿真上 a h a c q u i n p m o n t m i t o n n 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 他们指出弹塑性 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 应变分布规律及大小 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晴1 周禹成 梁国平采用热塑性有限元进行计算 热塑性有限元是一种三维的弹 塑性有限元 它用板材轧制时存在的 拉拔效应 对变形区进行修 f 求出正确 的变形区 并计算出轧辊的弹性压扁 精确计算轧制力 轧制力矩 板凸度 板 形和辊凸度 获得提高板形质量 减少板厚差 增加轧辊调整余地和使辊子耐磨 的效果哺1 由文献 7 8 1 7 其他板材加工过程的模拟研究可以看出 无论对于板材加工 中的形变 温度场 还是对于微观组织和力学性能的模拟都已经达到很高的水平 完全可以应用于实际生产 对实际生产中的工艺参数调整做出指导 对于h 型钢轧制过程的有限元模拟研究也有长足的发展 而且随着有限元仿 真技术的发展 学者对于h 型钢轧制过程的研究 不仅再局限于应力场或温度场 其中之一的单一物理场 越来越多的研究中将应力场和温度场进行热力耦合 从 而得出更符合实际的模拟效果 崔振山等用热力耦合弹塑性有限元方法 模拟了h 型钢万能孔型热轧过程金 第1 章绪论 属流动方式 建立了能反映h 型钢万能轧制的边界约束模型 结果显示 变形区 内横截面应变分布非常复杂 腹扳和翼板间的金属交换在不同变形区域内发生方 向变化n 8 1 9 1 卜勇力等针对轧制n 型钢过程中易出现产品缺陷等问题 应用有限元软件 m a r c 的二次开发技术建立了h 型钢的轧制模型 模拟了轧制过程 给出了h 型 钢的腹板 翼缘及其交界区点在轧制过程中的应力及金属流动变化情况 结果表 明 轧件出口后g l n 断面上轧制方向的残余应力是造成h 型钢腹板屈曲及其他缺 陷的主要原因啪3 段明南等研究了h 型钢轧制过程仿真中的几何模型 材料模型和边晁条件的 设定问题 重点研究了断面上网格的合理分布 利用该优化模型成功地对h 型钢 轧制过程进行了仿真分析 取得了h 型钢轧制过程中的金属流动规律 残余应力 分布及立辊的水平压下偏差对轧件变形和轧制力的影响规律 建立的h 型钢轧制 过程有限元仿真模型合理 能为生产实践提供理论参考心 朱国明等采用三维热力耦合弹塑性有限元方法对h 型钢的多道次往复开坯轧 制过程进行仿真分析 得到了各道次轧件的三维变形结果及三维温度场 详细介 绍了有限元模型的建立 材料参数 边界条件及载荷的定义 对轧件温度场的分 布进行了深入的研究 为多道次可逆开坯轧制过程的热力耦合分析提供了参考 还借助于l s d y n a 仿真软件 在h 型钢轧制全程的热力耦合仿真分析结果基础上 完成了对轧后h 型钢翼缘外侧强制冷却 及改善终轧h 型钢断面温度分布情况下 的h 型钢残余热应力状态的三维热力耦合仿真分析似2 m 州 其他学者也对h 型钢轧制过程进行许多的模拟研究瞳鼠2 6 27 关于h 型钢加工过 程中的塑性形变的模拟仿真已经趋于成熟 而且具有较高的精度和实用价值 为 进一步研究h 型钢加工过程中的深层机理提供了必要的基础 国内外研究热点除集中在塑性加工应力应变场的模拟研究外 许多学者还研 究加工过程中温度场的变化规律 周进 沈丙振等分别进行了粗轧区和精轧区带钢温度场的数值模拟 认为不 论轧制速度高或低 由于带钢较薄 温度沿厚度方向的变化很小 而宽度方向的 温差较大 这样的温度分布容易导致带钢不平整 影响其板形口引 日本学者中岛浩卫等 曾用有限差分方程求解过h 型钢的温度分布 其后土 屋健治等又提出了一种用实测温度来修正由差分方程解出的表面温度 进而对平 9 jj 东人学硕 学位论文 均温度加以改j 下的轧制温度模型 他们仅研究了二维传热问题 没有涉及轧制时 轧件与轧辊的热交换及塑性变形功转换成热所引起的温升 1 赵影在其硕士论文中利用流体分析软件 建立了雾化冷却h 型钢的冷却模型 并对影响温度场的各种因素进行了分析 发现驻点处射流压力最大 速度最小 雾滴更新的速率最