60kg/m重轨万能轧制过程有限元模拟研究

摘要

近年来，铁路的提速对钢轨的尺寸精度要求也越来越高，这就对我国重轨的生产提出了更新更高的要求。根据有关研究，国内钢轨和国外先进水平相比主要差距在尺寸精度上，成分和性能上差距相对小些。在生产工艺上，对尺寸影响最大的是步进式加热炉、万能轧制。所以要保证高速铁路钢轨的精度，就必须有一种比较好的轧制工艺，万能轧制成为最好的选择。 本研究详细推导了利用显式有限元分析方法实现热力耦合的理论公式。针对几何、材料和接触的非线性问题，利用软件ANSYS/LS-DYNA，首先选择了几何非线性选项，针对材料非线性，本研究选择了弹塑性的非线性强化模型，并且选用三维的八节点六面体的SOLID164单元实体对轧件模型进行了离散化，对于接触面，选择用的是自动面．面接触，之后是边界条件的加载，利用LS-PROPOST作为后处理软件分析了实验结果。 目前，国内外利用有限元方法模拟金属各种成型过程的研究较多，但是针对复杂截面的重轨在万能异型孔的变形规律的热力耦合计算机模拟研究，所见的报道很少。以前其参数多为通过热模拟机实验所得结果，考虑的因素有限。而本研究综合考虑了轧制温度、轧制速度、摩擦系数、万能孔型的特点等联系现场生产的因素，故其计算结果具有重要的实际应用价值。 本文基于ANSYS/LS-DYNA非线性显式有限元软件，以60kg/m的重轨为研究对象，采用全三维弹塑性热力耦合的有限元方法研究了重轨在万能轧机组中的变形过程，得到了轧件在孔型中的延伸情况、各道次轧件的变形参数，。分析了典型道次的应力、应变分布，并详细分析了全万能成品孔型中轧件受力和变形情况，讨论了残余应力的分布及大小对钢轨安全使用的影响规律，详细地阐述了全万能成品孔型对轨头踏面圆弧的加工过程。分析了在粗轧过程中温度场的分布以及轧制过程中轧制参数对轧制力的影响规律，分析了轧制参数对轨头、轨底宽展的影响规律，最后还分析了金属质点流动特性；揭示了重轨的变形规律。

目录

文摘

英文文摘

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第一章 绪论

1.1引言

1.2轧制模拟国内外研究进展

1.3选题依据、研究内容及意义

1.3.1选题依据

1.3.2研究内容及其意义

1.4本章小结

第二章 显式有限元分析理论

2.1有限元基本理论

2.2显式动力弹塑性有限元理论

2.2.1弹塑性有限元基本概念

2.2.2显式动力学有限元分析方法

2.2.3显式积分的稳定性

2.3热力耦合理论

2.3.1热力耦合有限元法

2.3.2传热学的基本理论

2.3.3热力耦合计算流程

2.4本章小结

第三章 数学模型建立及有限元分析

3.1 ANSYS/LS-DYNA软件简介

3.1.1 LS-DYNA的特点及应用

3.1.2 LS-DYNA的热—结构分析

3.2有限元分析模型

3.2.1选择单元

3.2.2建立几何模型

3.2.3材料模型

3.2.4网格划分

3.2.5边界条件与加载

3.2.6热力参数的确定

3.3接触问题的处理

3.4本章小结

第四章 模拟结果分析及讨论

4.1精轧孔型有限元模拟结果分析

4.1.1金属质点流动特性

4.1.2应力分析

4.1.2应变场分析

4.1.3轧制力分析

4.1.4宽展分析

4.2粗轧孔型有限元模拟结果分析

4.2.1应力场分析

4.2.2残余应力场分析

4.2.3位移与应变分析

4.2.4温度场分析

4.2.5宽展分析

4.2.6轧制力分析

第五章 结论

参考文献

致谢

作者攻读硕士学位期间发表的论文情况