【《轧辊温度场有限元模型的建立分析》3800字】

轧辊温度场有限元模型的建立分析目录TOC\o"1-3"\h\u23822轧辊温度场有限元模型的建立分析 1272241.1温度场分析 1267121.1.1对轧辊的热流分析 1131671.1.2物理条件与边界条件分析 278931.2模型的建立 5252921.2.1ANSYS软件介绍 5327361.2.2有限元理论介绍 5152131.2.3建立温度场有限元分析模型 61.1温度场分析工作过程中的轧辊,在更多高温条件下也会生成的热应力分析,在辊件干燥过程以及与支撑辊的反复作用时会形成接触应力,所以在轧辊表面也会形成热疲劳和磨损。与此同时,在轧制过程中轧辊表面也会形成氧化黑层,在一定条件下氧化层也会剥落,所以存在氧化层剥落情况的轧辊所轧制的轧件表面也会形成质量问题。所以对深入研究轧辊的热应变和热应力,以及轧辊的高温场理论研究有着很重大的理论和实际意义。1.1.1对轧辊的热流分析对高温场的分析过程,轧辊边界要求是周期性改变的。轧机过程中由于轧辊的转动,轧辊表层不断受热和制冷,而影响轧辊温度场变化的主要原因包括以下两种方面:一是轧机时进入轧辊的热流,二是轧机过程中排出的热流。因此在轧制现场的工作要求严格，如图3-1所示：图3-1轧辊表面根据载荷划分区域如上图所示，沿轧辊表面被均匀分为10个区域，在每个区域中所进行的热交换是并不相同的：A—B区为轧辊与板带接触区；A—I区为板带入口处轧辊与空气对流区；I—H区为板带入口处轧辊的水冷区；H—G区为板带入口处轧辊的直接冷却区；G—F区为板带入口处轧辊与空气对流区；F—E区为板带出口处轧辊与空气热对流交换区；E—D区为板带出口处轧辊的直接冷却区；D—C区为板带出口处轧辊的冷却区区；C—B区为板带出口处轧辊与空气对流区；F处为工作辊与支承辊的热交换传导区；通过以上分析得，在轧制过程中，轧辊的温度场呈现周期性变化的过程。1.1.2物理条件与边界条件分析运用有限元方法计算轧辊温度场的关键是准确得出热交换的边界状态,求解轧辊温度场时首先要明确反映了轧辊材料特征的物理参数和边界条件。包含以下七种：（1）导热系数λ，导热系数是反映了物质材料导热功能的物理量,物理学含义指:在单元厚度内,温度相差1℃的高温表面,在单元体积内通过的总热能。傅里叶定律也定义了导热系数,以此为基础经过试验可以测定不同物料的导热系数[13]。常见的轧辊材料参数[14,15]见表3-1示：表3-1常用轧辊材料物理参数导热系数W/(㎡℃)比热容KJ/(㎏℃)密度㎏/m³线胀系数10-6/℃杨氏模量104MPa泊松比铸铁轧辊210.5976001122.00.3铸钢轧辊410.578501120.60.29导热系数也会随着环境温度的改变而发生变化,根据热传导系数依赖于环境温度变化的经验公式[16]：（3-1）式中λi为温度为T时的导热系数，W/（㎡·℃）；λ0为初始温度下的导热系数，W/（㎡·℃）（2）热扩散率a，热扩散率反映传导能量的快慢,物理含义是指物质制冷或发热的各点到达相同温度后的快慢。其表达式为：（3-2）式中：α为材料热扩散量，Wm/KJ；Cp为材料定压比热容，KJ/(kg℃)；ρ为材料的热密度，kg/m³；λ为材料的导热系数，W/(m2℃)（3）轧制升温，在轧压过程中,将塑型过程产生的功很大部份都转变为热量,使轧件工作温度提高,因此对于塑型过程产生的温度变化可以用方程式估算：（3-3）式中：Tup为轧制升温时温度，℃;c为带刚比热，KJ/(kg℃)；hen为入口厚度，m;hex为出口厚度，m；σdef为带材屈服极限，MPa；ρ为带材密度，kg/m3。（4）轧件的辐射热量，轧件的热辐射只存在于挡水板和轧制区之间的辊面。用下式计算辐射的热流密度：（3-4）式中：qrad为辐射热流密度，W/m2；Ts为板带温度，℃；Tw为轧辊温度，℃；ε为黑体系数，取0.2；σ为斯蒂芬－玻尔兹曼常数，5.67×10-8W/m2k4。（5）轧件与轧辊之间的换热系数hs,轧件与轧辊之间的换热系数与轧件表面氧化性黑膜的厚薄,润滑介质以及轧件工作温度等因素相关,在轧件与轧辊直接接触的过程中,接触表面并不可能是理想的平滑表面,而在此接触面上主要靠下述的二种方法传热:一是固体与固定表面之间的热传导;另一个则是通过在缝隙之间的介质所形成的热传导。考虑氧化铁皮厚度对轧件温度的影响[17]，其计算公式接近于：（3-5）式中：S为氧化铁皮厚度，mm；Ts为轧件温度，℃；a1=4.168，a2=1.712×10-6，a3=0.014。则轧件和轧辊的等效传热系数近似等于：（3-6）其中a4，a5是常数，其取值取决于润滑情况，其具体取值如下表3-2所示：表3-2在不同润滑条件下常数a4和a5的取值常数无润滑水润滑轧制油润滑a4320005235015100a5-2320-4175230（6）空气与轧辊的换热系数ha，空气与轧辊之间的换热系数[18]采用以下计算方法：（3-7）式中λa为空气导热系数，W／(m2℃)；Rew为雷诺数，Rew=0.2×106~2.7×106；GrD为葛拉晓夫数，GrD=0~5.4×1010；Pr普朗特数，Pr=0.9（7）供热量和轧辊间的热传导系数hw,在轧辊和供热量之间进行的换热过程属于被动现象,因此防冻液与轧辊之间的对流换热系数可根据特殊工况选取一个平均值,在设计好轧辊和供热量之间的对流现象系数hw后,首先忽略了、轧辊与其轴承之间的换热、轧辊与板带的接触换热这些边界条件。当轧辊升温并到达热平衡状态时,轧辊所吸入的热能再加上自身损失的热能不再使其温度发生变化,也就是说轧辊在与板带接触区域吸入的热能和因为冷却所散失的热能相当，因此，根据热量平衡关系有Qin=Qout，即吸收的热量与散失的热量相等，可以得到等式：（3-8）式中Ts，TR分别为板带与轧辊触及范围内相应的工作温度，h1ub为轧辊的接触式热传导关系，ΓC、Γ−C分别为轧辊从圆周向上轧制的压区,接触范围为与淬火时轧辊表面上被防冻液包围区的弧长，qv、qf为板带塑形变形时产生的热能,与轧制区上由于摩擦所产生热能在接触表面上产生的热流密度，ηv、ηf分别表示板带塑性变形时产生的热量和摩擦生热对轧辊表面热量分配所占的比例。板带的热流平衡方程为：（3-9）其中Q1为板带与轧辊在热交换前的热量，假设，式(3-9)右边两项分别为板带经过轧制区后的热量和板带通过热传导传给轧辊的热量，其中，。c、ρ分别为板带的比热容和密度，v1、H为板带入口处速度厚度，Tsout是板带出口经过轧制后的温度。Tsep、TRin分别为板带在与轧辊接触区域的等效温度以及在轧辊入口处时的温度。联立热平衡方程（3-8）和（3-9），通过计算可以得到轧制区内的冷却液对流换热系数hw为：（3-10）1.2模型的建立1.2.1ANSYS软件介绍ANSYS软件系统,是一个集结构力学、热机械、声学、流体机械、电气学于一身的通用性有限元分析软件系统,可广泛应用于核工业生产、医药机械、宇航、土木工程建设、制造业等工程技术应用领域和科研中。该软件可以在一般电脑或操作系统上执行。ANSYS有限元分析软件系统一般分为3个部门:前处理模组(PREP7)、计算模组(SOLUTION)和结果处理模组。前处理模组一般包含材料参数描述和创建有限元模组,用来实现材料参数的描述、实体构造和网格规划。使用者能够快捷简单地创建有限元模组;求解模型则用于对已建立的有限元模型展开研究计算,此阶段可定义分析类别、解析类别、负载信息和载荷步等选择。后处理模型则用来检查对整个建模过程和选取的特定系统在某一时间步的处理结果,可将结论以彩色等值线图示、梯度表现等绘图方法表现出,也可将结论以图像、曲线形式表示并直接产出。1.2.2有限元理论介绍（1）有限元法的基本理论有限元法(FiniteElementMethod)是它是由于计算机硬件性能的不断完善,以及对相应的数学理论的支持而逐步发展出来的,具有运算容量大、计算效率高的特点。有限元法的基本思路,是首先把表示结构形式的连通体离散为多少个单位,所有单位的边缘上都有节点连接,然后不同单位间再透过将这个节点连接成复合体;然后,按照结构的物理边界条件,在各个单位内利用建立假设的近似函数来描述各个单位内待求的未知数场变化,在各个单位内的近似函数也可用未知数场变化参数在单位内不同结点上的值以及与其相应的插值函数来描述;最后,利用与该问题的基本数学方程和边界条件等价的变分原理对常微分方程展开求解,从而得到方程特解。（2）有限元法分析步骤a.建立积分方程：根据变分原理或正交化原则建立正确的微分方程函数积分表达式，这是用有限元方法进行计算的出发点。b.单元划分：根据该区域物体的形状和实际问题的需要，将目标区域离散为若干相互连接而又不存在重叠的单元。c.确定单元数函数：依据连接各个单元的节点数量及其所需要的计算精度,选取满足相应插值要求的单元基函数。d.单元内部分析：对所有的求解函数用单元数函数的方程设置组合形式进行分析；某单元区域的积分可以通过把相关函数代入积分方程的办法来实现，这样就能够得到含有待定系数的代数方程组，成为关于单元的有限元方程。e.联立以上方程组：在得到单元的有限元方程之后，将所有方程联立根据求解要求，得到一个关于整个有限元分析研究对象的方程组。f.相关边界条件的限制：边界条件一般有：自然边界条件（也称作黎曼边界条件）、本质边界条件（也称作狄利赫利边界条件）和混合边界条件（也称作柯西边界条件）。普通的积分表达式一般对于自然边界条件可以满足，而对于另外两种边界条件，必须要根据一定规则和具体实例对方程进行修正以后的有限元方程才能得到满足。g.对有限元方程求解：对于完整的有限元方程组进行修正以后得到的方程组含有所涉及的未知量，满足所有条件，并且是封闭的，对此方程组进行恰当求解，即可得到各节点的具体函数值。1.2.3建立温度场有限元分析模型建立轧辊温度场仿真模型时，先建立出二维矩形，然后沿中心线将矩形旋转360度便形成了圆柱体。采用