05-CAE技术在研究开发中的应用

CAE技术在研究开发中的应用,北京科技大学机械工程学院臧勇,内容提纲,H型钢轧制过程仿真三辊行星轧制仿真连铸装备及过程仿真结构屈曲分析H型钢残余热应力仿真分析Pilger轧机运动学动力学仿真,CAE技术在研究开发中的应用,SG18辊轧机故障仿真研究CSP轧机振动锯片修磨机设计研究滚切剪行为研究薄壁型钢精确矫直研究锯片淬火机淬火过程仿真,1H型钢轧制过程仿真,CAE技术在轧钢领域上的应用,1）H型钢有限元仿真分析建模2）仿真工况3）仿真结果及分析,轧坯截面的网格,H型钢的三维动态轧制模型,A-A与B-B为对称平面,1）H型钢有限元仿真分析建模2）仿真工况3）仿真结果及分析,万能轧机的轧辊压下方向示意图,1H型钢轧制过程仿真,CAE技术在轧钢领域上的应用,常规计算结果,轧制过程中的接触区,轧制方向摩擦力云图,轧坯的X向位移云图,轧坯的Y向位移分布云图,1）H型钢有限元仿真分析建模2）仿真工况3）仿真结果及分析,CAE技术在轧钢领域上的应用,1H型钢轧制过程仿真,立辊压下方向轧制力变化规律,由图可知，立辊压下方向轧制力随辊缝的变大而呈线性递减规律，即，腿腰延伸比增大，立辊轧制力减小。,1）H型钢有限元仿真分析建模2）仿真工况3）仿真结果及分析,CAE技术在轧钢领域上的应用,1H型钢轧制过程仿真,1）H型钢有限元仿真分析建模2）仿真工况3）仿真结果及分析,翼缘高度方向位移矢量,金属流动仿真结果（1）,CAE技术在轧钢领域上的应用,1H型钢轧制过程仿真,金属流动仿真结果（2）,立辊压下方向位移矢量,可以看出：存在“零位移线”，腿腰结合部位，出现“颈缩”。,1）H型钢有限元仿真分析建模2）仿真工况3）仿真结果及分析,CAE技术在轧钢领域上的应用,1H型钢轧制过程仿真,金属流动仿真结果（3）,立辊压下方向位移中性面,1）H型钢有限元仿真分析建模2）仿真工况3）仿真结果及分析,CAE技术在轧钢领域上的应用,1H型钢轧制过程仿真,金属流动仿真结果（4）,合位移矢量图,可以看出，在翼缘端部出现金属“内翻”现象,1）H型钢有限元仿真分析建模2）仿真工况3）仿真结果及分析,CAE技术在轧钢领域上的应用,1H型钢轧制过程仿真,金属流动情况分析,上图是H型钢万能轧制的一个分析简图，通过分析可知翼缘内侧金属的轧制状态类似“孔型轧制”的侧壁压下：翼缘内表面金属与平辊辊面侧壁接触，两者之间产生一定的粘着作用，在平辊旋转的作用下，与翼缘内侧接触的平辊侧面上的质点均有向压下方向的速度分量，带动翼缘内侧金属向下流动；立辊与翼缘外侧的轧制相当于“平板轧制”，翼缘外侧的金属变形遵从“平板轧制”规律，金属向边部自由宽展。翼缘内外两侧的金属分别向相反的方向流动，必然会有一条不产生流动的“中性线”，用数值方法分析时，可以称之为“零位移线”。该“零位移线”可用于分析万能轧制时翼缘部分两种轧制状态的分界线。,1）H型钢有限元仿真分析建模2）仿真工况3）仿真结果及分析,CAE技术在轧钢领域上的应用,1H型钢轧制过程仿真,2三辊行星轧制仿真,CAE技术在轧钢领域上的应用,CAE技术在轧钢领域上的应用,2三辊行星轧制仿真,三角形效应分析,轧制过程中管头三角形外轮廓,摩擦力偏小时轧件外形,2三辊行星轧制仿真,CAE技术在轧钢领域上的应用,3.1直角型钢包回转台3.2钢包回转台3.3结晶器结构与参数分析3.4立式连铸机计算机仿真分析3.5直弧式连铸顶弯过程仿真分析3.6连铸凝固过程仿真分析3.7连铸轻压下工艺仿真研究3.8板坯连铸三维鼓肚变形仿真研究3.9异型坯连铸计算机仿真分析,3连铸装备及过程仿真,CAE技术在轧钢领域上的应用,为适用特殊应用场合而设计的特殊结构钢包回转台，对钢包进行三维建模计算机仿真分析，确定结构的应力水平及变形程度，进行结构强度评估，为设备的安全适用提供保障。,3.1直角型钢包回转台,3连铸装备及过程仿真,回转台各主要受力件强度计算机三维仿真分析,3.2钢包回转台,3连铸装备及过程仿真,结晶器内部初始坯壳的生成、温度场及增长情况；结晶器出口坯壳厚度与拉速的关系；结晶器内部坯壳的变形及可能的气隙生成；结晶器铜管温度场及应力应变情况；铜管最佳倒锥度优化；铜管最佳长度；铜管最佳园角大小。,3.3结晶器结构与参数分析,3连铸装备及过程仿真,铸坯凝固过程仿真分析；夹持区夹持能力仿真分析；极限拉坯速度的讨论。,3.4立式连铸机计算机仿真分析,3连铸装备及过程仿真,凝固过程仿真分析；顶弯过程仿真分析；顶弯过程铸坯的应力应变分析；顶弯过程的载荷分析；最佳顶弯位置及顶弯区域,3.5直弧式连铸顶弯过程仿真分析,3连铸装备及过程仿真,凝固过程铸坯截面温度场分析；凝固过程坯壳厚度增长情况分析；凝固过程铸坯尺寸收缩分析及辊缝设定分析；凝固过程铸坯的应力应变分析。,3.6连铸凝固过程仿真分析,3连铸装备及过程仿真,液芯长度及最后凝固点位置的确定；轻压下区域的确定；轻压下作用下铸坯的应力应变；总压下量的确定；压下量的分配方式；轻压下设备载荷条件的确定。,3.7连铸轻压下工艺仿真研究,3连铸装备及过程仿真,板坯连铸凝固过程仿真分析；板坯凝固过程铸坯的收缩分析；板坯辊缝的设定；辊道支持辊挠度计算。,三维鼓肚变形仿真模型三维鼓肚变形云图,3.8板坯连铸三维鼓肚变形仿真研究,3连铸装备及过程仿真,异型坯连铸凝固过程仿真分析；连铸工艺参数对异型坯凝固过程的影响分析；异型坯凝固过程铸坯的变形分析；异型坯凝固过程辊缝设定分析。,3.9异型坯连铸计算机仿真分析,3连铸装备及过程仿真,4结构屈曲分析,在H型钢的轧制过程中，腹板波浪是其主要缺陷之一，其产生的原因和规律尚缺乏深入的研究。,CAE技术在轧钢领域上的应用,4结构屈曲分析,采用三维弹塑性有限元法数值仿真技术对H型钢轧制腹板波浪进行动态仿真，得到了轧件在轧制过程中的应力和变形等。,CAE技术在轧钢领域上的应用,腹板沿垂直方向位移提取腹板纵向节点沿Y方向的位移，研究腹板沿垂直方向的变形量。,4结构屈曲分析,CAE技术在轧钢领域上的应用,5H型钢残余热应力仿真分析,通过图可以看出，翼缘外侧表面温度分布不均，其中翼缘外侧中心部位温度最高，在1300K左右，而端部温度最低，其温差在80K左右；而轧槽内部表面温度分布亦不均匀，其中腿腰连接部位的温度最高，在1350K左右，与腹板中心表面温度的差值在80K左右。,CAE技术在轧钢领域上的应用,采用ANSYSLS-DYNA，提取轧制后温度计算结果作为残余热应力计算的初始温度，采用隐式时间积分，进行热力耦合计算（用温度相关材料模型），假定轧件空冷10000秒。空冷后的轧件三维温度场如图所示（其整个轧件的最大温差已经降到15以下），相应热应力的计算结果如图所示,可以看出：沿轧件长度方向上腹板部位的残余应力整体表现为压应力，而翼缘部位的心部表现为拉应力。并且各部位沿厚度方向的应力状态并非均匀分布，特别是翼缘部位，心部为拉应力状态，而边角部位呈现压应力状态。,5H型钢残余热应力仿真分析,CAE技术在轧钢领域上的应用,提取稳定轧制阶段腹板表面单元长度方向和宽度方向的残余热应力计算结果如图所示。可以看出，表面残余热应力沿长度方向可以达到160MPa以上，宽度方向的残余热应力可以达到110MPa以上,5H型钢残余热应力仿真分析,CAE技术在轧钢领域上的应用,6Pilger轧机运动学动力学仿真,Pilger冷轧管机（二辊周期式冷轧管机）的主传动系统均属于曲柄滑块机构,往复运动时产生很大的惯性力和交变惯性力矩。对其运动学和动力学研究就显得非常重要。,CAE技术在轧钢领域上的应用,以输入转速为480r/min求解曲柄转动一周时，系统的运动学和动力学特性。,CAE技术在轧钢领域上的应用,6Pilger轧机运动学动力学仿真,SG18辊高刚度、高精度冷轧机，保持了ZR轧机的优越性能，强度高，刚度大。投产后，一直不能正常工作。其故障主要表现为：在轧制力上升到到一定水平时发生中间辊轴承失效、中间辊辊径断裂和抽动辊掉辊等一连串现象。,7SG18辊轧机故障仿真研究,CAE技术在轧钢领域上的应用,7SG18辊轧机故障仿真研究,CAE技术在轧钢领域上的应用,7SG18辊轧机故障仿真研究,CAE技术在轧钢领域上的应用,(1)SG18辊轧机的塔形辊系在中间辊不约束状态下,处于一种不稳定的平衡状态;中间辊山墙约束对于整个辊系的稳定性起决定作用。(2)中间辊在偏置状态下,其上产生的水平力随着轧制力的增大和水平偏置位移的增大而增大。(3)带钢的张力差与其在中间辊上产生的水平力方向相反,大小基本上呈线性关系。(4)发生断辊和辊系散落的主要原因是由于制造及装配精度较差、山墙刚度不足使中间辊不能稳定地约束于理想设计位置,从而导致情况恶化所致。(5)进一步提高轧机的制造及装配精度,增大“山墙”刚度是防治断辊和辊系散落的根本措施。,7SG18辊轧机故障仿真研究,CAE技术在轧钢领域上的应用,8CSP轧机振动,CAE技术在轧钢领域上的应用,轧机振动及危害：设备使用寿命、结构松动、产品质量、生产环境等目标：振动特性与振动规律、提出抑制措施、提高产品质量与生产环境。,随着终轧产品厚度的下降，轧机开始出现振动；轧机振动时伴有明显的振动声音，声音强弱随轧辊转动周期而变化；F3的振动与前、后张力无关；设备的磨损情况对轧机的振动有一定影响；在一个换辊周期内，轧机的振动情况也是变化的；振动会在轧辊表面及轧件表面留下明显的振痕；F2、F3、F4都振。,8.1项目研究内容,轧机振动问题现场综合测试研究轧机动态特性计算机仿真分析研究轧机振动原因分析及抑制措施的提出抑制措施效果现场试验及效果评估,8CSP轧机振动,现场测试及试验内容轧机振动现象现场调研；F2、F3轧机传动系统扭振测试；F2、F3轧机弧形齿接轴弯矩测试；F2F4轧机振动综合测试；轧制力测试；轧件及轧辊表面振痕测试；牌坊与工作辊轴承座之间侧隙测量；轧机振动状态急停试验；降速降温轧制试验。,轧机扭振机座水平振动,8CSP轧机振动,8.2振动测试,F3轧机的振动三种振动型式：无明显扭振时的振动；主传动单一频率扭振时的振动。主传动系统多频率成分扭振时的振动。各部件与工作辊水平振动形式相同。,8CSP轧机振动,8.2振动测试,轧件振痕振痕是表面粗糙度交替变化的表现，粗糙区存在明显打滑的迹象；振纹贯通整个轧制宽度，与轴线平行；上下轧辊表面的振纹数相等,方向相反.,8.3轧机系统动态特性计算机仿真,8CSP轧机振动,F3传动系统扭振及横向振动,8.3轧机系统动态特性计算机仿真,8CSP轧机振动,8.3轧机系统动态特性计算机仿真,8CSP轧机振动,8.4振动过程描述,低频扭振及其影响过程由于齿轮座和减速机的啮合周期冲击，在接轴上引起扭振。厚度的下降，齿轮座啮合频率接近主传动的固有频率，轧制力矩增大，冲击增大，振幅加大。齿轮座啮合冲击使上下接轴中的力矩增减相反，形成搓轧。扭振产生水平移动，辊径、轴承、轴承座及机架等之间的间隙愈大，轧辊的水平移动加速时间愈长，由之产生的冲击振动愈强烈。扭振和水平振动使轧辊和轧件表面之间产生形成速度差，形成相对滑动的趋势。在轧件、轧辊上出现振纹。轧制厚度下降，轧制速度和轧制力提高，轧制变形区内轧辊和轧件间的滑动阻尼下降，有利于相对滑动的产生；齿轮座的啮合频率（扭振）、机座的水平振动频率、辊系的水平振动频率及接轴的横向振动频率成倍数（1、2、4）关系，使这种振动极大的恶化（设计和工艺不合理）；集体驱动使轧机主传动系统形成闭环，有二个坏处：（1）齿轮座的存在；（2）上下辊通过轧件形成闭环，容易使振动放大。,8CSP轧机振动,机座高频水平（垂直）振动弧形接手没有平衡，内外圈之间存在间隙，转动过程中产生冲击。轧件减薄，轧辊转速提高，接手啮合频率和主传动系统的水平横向振动固有频率接近时，形成共振，产生较大振幅。水平横向振动会使上下轧辊表面相对轧件表面线速度一个增减趋势相反，形成实测高频的扭振；扭振形成搓轧，在轧件的上下表面形成相同频率的反方向条纹。上下轧辊的水平的反方向振动也会起辊缝的微小变化，这将引起很小的垂直振动和轧制力波动，其频率和水平振动频率相同。接轴对轧轧辊（机座）的垂直冲击（上下辊均是向下）也必然会激发机座的垂直振动。,8.4振动过程描述,8CSP轧机振动,改变工艺参数，提高变形区阻尼：降低工艺润滑液的粘度；提高开轧温度，降低轧制力；适当降低轧辊表面的光洁度。降低或消除轧机轴承座和机架间以及其它配合的间隙，抑制滑动和冲击：加横向液压缸（垫）；加大工作辊偏移距；其它良好的配合状态。改变上下轧辊负荷分配，上大下小，减小闭环力矩（啮合冲击力）：辊径上大下小。,8.5振动抑制措施,8CSP轧机振动,技术可行性方面添加接轴平衡，改变上下接轴的相位关系。通过改变齿轮座的齿形、螺旋角、间隙及结构等使其啮合平稳。加横向液压缸（垫）消除轧机轴承座和机架间的间隙；增大变形区摩擦系数。,MC锯齿修磨机是北京科技大学冶金机械研究所根据多年的科研工作的理论和实践，并吸收了日本德国等国外修磨机的优点研制而成。本锯齿修磨机适用于型钢切割用金属热切（或冷切）圆锯片的锯齿修磨。经使用表明，本设备具有功能强大，技术先进、工艺完善、运行可靠和维护便利等特点。,9锯片修磨机设计研究,CAE技术在轧钢领域上的应用,三维造型设计、运动学动力学仿真。,CAE技术在轧钢领域上的应用,9锯片修磨机设计研究,对滚切式定尺剪进行运动学仿真分析，得到剪刃上任意点的轨迹，拟合出了上剪刃最低点的轨迹，求出了各个时刻剪刃的重合量等；考察曲柄长度、连杆长度、导向连杆长度、曲柄初始相位角对剪刃重叠量的影响，得到优化方案；在优化方案下再进行运动学仿真，得到了各个典型位置的速度和加速度；运用经典的剪切力计算公式计算出剪切过程的受力，将计算好的剪切力加在剪刃上，进行动力学分析，得到各个杆件的在剪切过程中的受力情况。,10滚切剪行为研究,CAE技术在轧钢领域上的应用,双轴传动滚切式定尺剪,10滚切剪行为研究,CAE技术在轧钢领域上的应用,剪刃上一点的轨迹,曲柄长度对剪刃重叠量的影响,11薄壁型钢精确矫直研究,CAE技术在轧钢领域上的应用,11.1H型钢的结构特点11.2H型钢的矫前典型几何缺陷11.3H型钢的矫直方式11.4传统矫直理论的局限性,H型钢截面图,11.1H型钢的结构特点,优良的力学性能合理经济的断面特性高效安装,INP240IPE270GB7062200,相同单重的三种型钢截面参数比较,11薄壁型钢精确矫直研究,11.2H型钢的矫前典型几何缺陷,上下弯曲,左右弯曲,翼缘上并,翼缘下并,11薄壁型钢精确矫直研究,11.3H型钢的矫直方式,特点：卧矫：存在的问题：矫不直；圆角处缺陷；侧向缺陷不易矫正。,H型钢辊式矫直示意图,11薄壁型钢精确矫直研究,11.4传统矫正理论的局限性,传统理论求解构件的整体应力和变形时，采用过多的近似和简化；工艺参数设定并不准确。传统理论着重考虑构件的整体变形，忽略了构件的断面畸变的影响；传统理论更适合于断面刚性较大的型材。传统矫直理论假设被矫件的初始曲率C0范围为已知。,11薄壁型钢精确矫直研究,11.4H型钢的原始几何缺陷表征-实测,11薄壁型钢精确矫直研究,挠度仪结构示意图,H200100矫直前上下整体挠度拟合曲线,挠曲线整体分布类似于一条载波曲线，即在整体大弯的基础上叠加了一些局部且有规律的较小弯曲。,证实了前面的研究结构，为仿真分析和进一步的研究提供了依据。,11.4H型钢的原始几何缺陷表征-屈曲模态研究,11薄壁型钢精确矫直研究,11.5构件纵向变形的弹塑性准确解,11薄壁型钢精确矫直研究,传统及工程解法,传统求解方法如右上图所示，传统上压弯挠度的计算，是用材料力学的方法，通过积分运算，可以得到下面的近似公式工程上求解时认为压弯挠曲线为一个圆弧4，从而用简单的几何关系求出压弯挠度,传统方法求解挠度图,传统压弯挠度的求解与型钢原始挠度密切相关，但实际上由于多方因素的影响，矫直前型钢的原始挠度是很难准确测定的。对于工程求解方法，避免了原始挠度的影响，但也有两点明显的误差：（1）认为挠曲线为一个圆弧是不精确的；（2）是弹性变形的公式，而矫直过程必须是伴随塑性变形的。,弹塑性精确解析,典型变形单元模型：典型受力及分段-分六段不同的变形区域。根据分段可以立相应的挠曲方程，