H型钢轧制过程多参数耦合模拟与实验研究

摘要

H型钢以其优良的断面特性而广泛应用于国民经济建设的各个领域。随着H型钢在我国的应用和生产的发展，用户对产品规格的需求越来越多，对产品形状和尺寸精度要求日益严格。而且，对产品的微观组织与机械性能更加重视，要求有更准确和均匀的机械性能，产品组织和机械性能的控制与改善变得日益重要。为了满足社会需求和适应市场竞争，降低产品开发与生产成本，缩短开发周期。这就需要借助于先进的开发工具对产品及其制造过程进行快速的设计和分析。随着计算机技术的发展，数值模拟在轧制领域得到了越来越广泛的应用。建立基于连续力学、传热学及物理冶金原理的H型钢热轧过程数学模型能够为轧制工艺设计、产品形状尺寸及组织性能控制提供更为科学有效的方法。 热轧过程中同时发生着金属变形、传热及物理冶金变化等多种现象，各种现象间相互作用、相互影响。为了对H型钢热轧过程进行准确的数值模拟需要将变形、传热和物理冶金变化严格耦合起来。本文选择H型钢轧制过程多参数耦合模拟与实验研究为课题，在系统调研H型钢的生产、轧制理论及物理冶金变化等各方面研究进展的基础上，对弹塑性理论的应用、H型钢轧制过程中金属流动规律、传热特点、大型软件的二次开发等问题进行了深入细致的研究，考虑钢材热轧问题的多物理过程间的相互作用及三维特征，将变形、传热与物理冶金变化计算完全耦合，建立了具有弹性被动立辊的H型钢轧制过程有限元模型。 本文利用MARC软件的二次开发接口，采用管克智提出屈服应力模型和Yamgimoto提出的组织演变增量模型，分别编制了热-力耦合材料屈服应力子程序和多参数耦合材料屈服应力子程序；根据H型钢特殊的热边界条件，推导并计算了空冷状态下的散热系数和辐射角系数，编制了换热系数计算子程序；实现了H型钢轧制过程热-力耦合模拟计算和将变形、传热与物理冶金变化完全耦合的多参数耦合模拟计算，进而对H型钢轧制过程中的应力场、应变场、温度场、金属流动规律和组织演变等情况进行了分析，其结果对实际生产中确定H型钢轧制工艺参数具有重要的参考价值。 在进行模拟研究的同时，在燕山大学轧钢实验室三机架万能型钢机组上进行了大量的实验研究，实测了轧制力、轧制力矩、表面温度变化、微观组织演变等重要参数，获得了大量的实验数据；并将热-力耦合模拟和多参数耦合模拟计算结果与实验结果进行了对比，证明了理论工作的正确性。本文研究结果对于H型钢生产中轧制工艺参数的制订具有重要的参考价值，所开发模型可为H型钢产品的形状尺寸、组织和机械性能的控制与改善提供重要的理论依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1 H型钢生产发展历史与现状

1.2 H型钢轧制理论研究概况

1.3金属热轧过程传热研究进展

1.4钢材热轧过程组织模拟研究进展

1.4.1初期的钢材组织研究工作

1.4.2组织演变数值模拟

1.4.3有限元法在组织模拟中的应用

1.5课题研究意义

1.6本文研究的目标和内容

第2章金属塑性成形过程数值模拟理论及MARC简介

2.1热弹塑性本构方程

2.1.1热弹塑性本构方程的一般式

2.1.2服从Mises屈服条件的热弹塑性本构关系

2.2热-机耦合有限元法

2.2.1热-机耦合能量控制方程

2.2.2热边界条件

2.3接触与摩擦的处理

2.3.1常用的接触算法

2.3.2接触摩擦的处理

2.4 MARC软件简介

2.5本章小结

第3章H型钢热轧过程热-力耦合模拟

3.1有限元分析模型的建立

3.1.1万能孔型轧制H型钢的变形区

3.1.2被动立辊模型的建立

3.1.3轧件咬入模型的建立

3.1.4有限元几何模型的建立

3.2热交换边界条件

3.2.1对流换热和辐射换热

3.2.2接触传热

3.2.3轧制后冷却过程

3.3模拟计算部分结果

3.4本章小结

第4章H型钢热轧过程多参数耦合模拟

4.1钢材热轧过程组织演变模拟

4.1.1钢材热轧中的物理冶金变化

4.1.2钢材热轧过程组织演变模型

4.1.3材料流动应力与微观组织间的关系

4.1.4多道次热变形奥氏体组织演变模拟增量公式

4.2 H型钢热轧过程模拟

4.3本章小结

第5章H型钢热轧过程实验研究

5.1实验内容和实验条件

5.1.1实验内容

5.1.2实验条件

5.1.3传感器标定

5.2 H型钢热轧实验过程

5.2.1实验坯料与耗材

5.2.2实验过程

5.3 H型钢热轧实验结果

5.4本章小结

结论

附录

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢

作者简介