大型H型钢热轧工艺过程有限元仿真系统开发

摘要

H型钢是由普通工字钢发展而来，但与工字钢相比，H型钢的翼缘宽、腹板薄，因此具有截面模数大、抗弯能力强等优点，被广泛应用于桥梁、厂房、高层建筑、港口、地铁工程、石油化工等行业。H型钢的轧制是在高温高压下进行的非线性塑性大变形过程，轧件及轧辊的内部信息很难获取。目前，大多数学者利用有限元法对H型钢的热轧过程进行仿真分析，但由于商业有限元软件的通用性及型钢热轧工艺的复杂性，仿真前后处理操作十分繁琐，且道次间隙网格重构易出错。为解决上述问题，本文开发了大型H型钢热轧工艺过程有限元仿真系统，该系统可自动完成热轧全过程仿真的前处理建模以及后处理结果信息提取，实现了轧制过程信息透明化，对热轧工艺优化及新钢种开发具有重要的意义。
　　 以莱钢大型H型钢的典型型号为例，基于有限元软件ABAQUS，并综合运用显式和隐式两种算法，建立大型H型钢轧制过程的热力耦合三维弹塑性有限元模型;为解决网格畸变问题，道次间隙采用基于网格重构的多道次热连轧仿真技术，模拟仿真了大型H型钢高压水除鳞、粗轧、精轧和轧后冷却的瞬态轧制过程及道次间隙散热过程。
　　 基于ABAQUS二次开发技术中的自定制应用程序，开发了大型H型钢热轧工艺过程有限元仿真系统，通过嵌入Python语言编写的网格重构算法脚本程序和Fortran语言编写的用户材料子程序VUMAT、摩擦子程序VFRIC、散热子程序FILM及道次间隙子程序USDFLD，解决了热轧过程中几何、材料和边界三重高度非线性问题的仿真分析。仿真系统添加了与热轧过程有关的模块和工具箱，并对不相关的菜单进行了隐藏，用户界面简洁明了，通过工艺规程参数的选择或输入，方便用户和ABAQUS内核进行交互，实现了大型H型钢多道次热连轧仿真的参数化、程序化和自动化。
　　 仿真系统创新性地实现了弹性轧辊建模，分析了开坯轧制和X-H轧制过程轧件金属流动规律、温度场和轧后冷却残余应力，以及弹性轧辊的应力、变形规律。通过TH5104红外热像仪在轧制现场采集轧件外表面温度场数据，并与仿真系统的结果进行对比，验证了仿真系统的准确性和可靠性。
　　 本文开发的仿真系统应用于生产，可显著降低制定大型H型钢轧制工艺规程的时间，大大缩短新钢种的开发周期，也可为产品缺陷分析、设备故障分析及轧机的改进与优化提供理论依据，同时本文的仿真方法和ABAQUS二次开发技术对其它塑性大变形成形问题的模拟及仿真系统开发具有重要的参考价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 H型钢简介

1．1．1 H型钢的特点及分类

1．1．2 H型钢发展概况

1．1．3 热轧H型钢生产流程

1．2 有限元法在H型钢热轧仿真中的应用

1．2．1 弹塑性有限元法简介

1．2．2 H型钢热轧工艺有限元仿真现状

1．3 ABAQUS的二次开发概况

1．3．1 ABAQUS产品介绍

1．3．2 ABAQUS二次开发研究现状

1．3．3 ABAQUS用户子程序研究现状

1．4 课题来源及主要内容

1．5 课题研究的目的和意义

第2章 热轧工艺仿真系统理论基础

2．1 ABAQUS二次开发理论基础

2．1．1 ABAQUS／CAE的处理过程

2．1．2 ABAQUS脚本接口与导入模块

2．1．3 ABAQUS GUI Toolkit使用方式

2．2 大型H型钢热轧过程温度场的有限元理论

2．2．1 热传导基本方程

2．2．2 温度场的初始条件和边界条件

2．2．3 传热问题的泛函

2．2．4 大型H型钢热轧过程的温度场条件

2．3 仿真系统用户子程序

2．3．1 用户子程序接口

2．3．2 用户材料子程序

2．3．3 用户再结晶子程序

2．3．4 用户摩擦子程序

2．3．5 用户换热子程序

2．4 本章小结

第3章 大型H型钢热轧工艺过程有限元仿真

3．1 大型H型钢热轧生产线简介

3．2 热轧过程中的非线性

3．2．1 非线性求解的算法选择

3．2．2 有限元模型的质量缩放

3．3 热轧仿真过程有限元模型的建立

3．3．1 几何模型的建立

3．3．2 材料属性的定义

3．3．3 网格划分

3．3．4 初始条件与边界条件的定义

3．4 多道次连轧仿真流程

3．5 本章小结

第4章 热轧工艺仿真系统开发

4．1 仿真系统结构设计

4．1．1 仿真系统性能要求

4．1．2 仿真系统开发方案

4．1．3 仿真系统模块设计

4．2 仿真系统主窗口界面设计

4．2．1 仿真系统的启动

4．2．2 仿真系统自定制界面的建立

4．3 仿真系统前处理开发

4．3．1 轧件轧辊建模

4．3．2 高压水除鳞

4．3．3 粗轧

4．3．4 精轧

4．3．5 轧后冷却

4．3．6 前处理开发中的关键问题

4．4 仿真系统后处理开发

4．5 本章小结

第5章 仿真系统验证

5．1 轧件金属流动分析

5．1．1 粗轧结果分析

5．1．2 精轧结果分析

5．2 轧件温度场分析及验证

5．2．1 单一道次瞬态轧制轧件温度场分析

5．2．2 道次间隙轧件散热分析

5．2．3 热轧全过程轧件温度场分析

5．3 轧件轧后冷却残余应力分析

5．4 弹性轧辊应力及变形分析

5．4．1 轧辊应力分析

5．4．2 轧辊变形分析

5．5 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文