[硕士论文] 高温合金钢板多道次可逆热轧的有限元模拟 [复制链接]

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硕士论文-高温合金钢板多道次可逆热轧的有限元模拟，共91页

摘 要

GH4169 合金是 Ni-Fe-Cr 基变形高温合金，已成为航空、能源、石油

化工等工业的常用材料之一。金属板材的热轧是一个高度非线性的弹塑

性大变形过程，难以用准确的数学模型来描述。随着计算机技术的迅速

发展，有限元法已被越来越多地应用于板带轧制的模拟。但目前的模拟

工作大都采用二维模型，没有考虑轧件各场变量的横向分布；而且研究

集中在单道次成形模拟上，对多道次热连轧的模拟还很少；此外，多采

用动态显式算法进行求解，精度较低，难以获得良好的板形。近年来，

有些研究工作开发了三维有限元仿真模型，但其轧辊常采用刚性模型，

无法考虑由弯辊力、轧制力和温度变化引起的轧辊弹性变形，而这对于

最终的板材质量是非常重要的。高温合金钢的高流变应力特性也决定了

在研究其板形问题时必须要考虑轧辊的弹性变形。为了解决以上问题，

本文主要完成了以下研究工作：

基于商用有限元软件 MSC.Marc，采用弹塑性大变形热力耦合有限元

法，并用 Fortran 语言进行二次开发，建立了包括等效弹性轧辊在内的多

道次可逆热轧过程的热力耦合有限元模型，实现了多道次可逆轧的连续

模拟，过程中不需要进行人工干预，并解决了道次间的参数传递和网格

自动重划分问题，再现了可逆热轧的“头尾”温差特性，采用准静态算

法，获得了稳定的轧件板形。

高温合金 GH4169 的多道次热轧模拟结果表明，此种建模方法获得

了较好的计算精度，对于研究多道次的热轧及其板形问题具有一定参考

价值。在此基础上，分析了轧件的等效应力场、等效应变场、温度场、第 II 页

轧制力、宽展的变化规律，为进一步研究轧制工艺和提高产品质量提供

了较为可靠的依据。

经分析得到，温度、轧制力、变形是三个重要的质量衡量指标。为

了进一步探讨轧制工艺参数对轧制过程的影响，分析了不同的压下量、

初始温度、轧制速度、接触换热系数和对流换热系数对温度、轧制力和

变形的影响，为改进和优化轧制工艺提供了理论指导。

关键词：多道次，可逆热轧，弹塑性有限元，热力耦合

Finite Element Simulation of Multi-Pass Reversing Hot Rolling for High

Temperature Alloy

Abstract

GH4169 is a Ni-Fe-Cr based high temperature alloy. It has been used in

industries like aviation, energy and chemical engineering. Plate hot rolling is

a highly nonlinear elasto-plastic large deformation process, which is quite

difficult to be modeled by analytical models. With the development of

computational science, finite element method has been widely used to

simulate the rolling process. But most of these studies are based on 2D

models where the variables in width direction can not be considered. Some

3D simulations were also carried out in past years; however, the studies

mainly focus on single pass simulation while simulations on multi-pass hot

rolling are rarely to be reported. Besides that, in most reported works the rolls

were treated as rigid bodies, by which the elastic roll deformation resulted by

the roll-bending force, rolling force and temperature variation can not be

considered, but it is critical important to the plate quality. The high

temperature alloy usually shows great resistance to deformation so that the

elastic deformation of the roll has to be considered when investigating the

plate profile. The main contents and results of this paper are as followsbr />
In this paper, MSC.Marc is employed to establish a large deformation

elasto-plastic thermo-mechanical coupled FE model for simulating the

multi-pass reversing hot rolling. In the model, an equivalent elastic roll is

developed. The model can be adopted to continuously simulate the whole

process without manual operation. The difference in temperature between the

head and tail part of the rolled piece is investigated in the model. The research

shows that by using quasi-static solution method the results are much better

than using dynamic transient method.第 IV 页

The multi-pass hot rolling of GH4169 alloy plate was simulated and the

results showed that the model obtained satisfactory precision. Through

simulation, the variations of deformation, temperature, plate profile as well as

rolling force are studied. This demonstrated that the model can be used to

study plate profile undertaken multi-pass hot rolling.

In hot rolling, strip temperature, rolling force and deformation are three

key parameters which affect the quality of the finished products. To explore

the impact of those parameters on rolling process, this paper uses the 3D FE

model which individually changes the reduction, initial temperature, rolling

speed, contact heat transfer coefficient and heat convection coefficient to

analysis the influence on the rolling process. It can help to improve and

optimize the rolling process.

Keywords: multi-pass, reversing hot rolling, elasto-plastic finite element

simulation, thermo-mechanical coupled rolling

目 录

第一章 绪 论 ..7

1.1 引言... 7

1.2 国内外中厚板轧制现状及发展趋势. 2

1.2.1 中厚板轧机发展概述 . 2

1.2.2 中厚板轧制生产技术发展概述 5

1.3 轧制理论中数值方法的进展... 6

1.3.1 滑移线理论及其数值解法 ... 6

1.3.2 三维差分法 .. 7

1.3.3 能量法（变分法） 7

1.3.4 有限元法 . 8

1.3.5 边界元法 . 8

1.3.6 条元法 9

1.3.7 无网格法 . 9

1.4 可逆轧制模拟现状.... 9

1.5 高温合金及其生产工艺.... 10

1.6 本文研究目的、意义和主要内容... 11

1.6.1 本文研究目的和意义 .... 11

1.6.2 本文研究的主要内容 .... 12

第二章 有限元理论及其在轧制中的应用....14

2.1 有限元法概述 14

2.1.1 刚塑性有限元法概述 .... 16

2.1.2 弹塑性有限元法 .. 17

2.2 轧制过程温度场的有限元分析.. 23

2.2.1 含内热源的热传导基本方程 .. 23

2.2.2 初始条件和边界条件 .... 23

2.2.3 热传导问题的有限元求解 . 24

2.3 热力耦合大变形有限元理论. 26

2.4 有限元模拟技术在板带轧制中的应用 30

第三章 多道次热轧有限元模型的建立...31

3.1 有限元模拟软件简介... 31

3.2 多道次热轧建模研究... 31

3.2.1 等效空心弹性辊 .. 32

3.2.2 轧辊转动的实现及弯辊力的施加 .... 34

3.2.3 轧件咬入模型的建立 .... 35

3.2.4 求解方法的选取 .. 37第 VI 页

3.2.5 边界条件的处理 .. 38

3.2.6 模型参数的选取及网格划分 .. 40

3.3 多道次热轧数据传递及实现方法... 43

3.3.1 参数传递的实现 .. 43

3.3.2 网格重划分的实现 ... 44

3.3.3 可逆热轧的“头尾”温差再现 ... 47

3.3.4 立辊轧制 .... 47

第四章 高温合金 GH4169 多道次可逆热轧的有限元模拟.49

4.1 有限元模型的建立.. 49

4.1.1 数值模拟所需的基本参数 . 49

4.1.2 轧制模型的建立 .. 52

4.2 有限元模拟结果与分析.... 52

4.2.1 轧件的变形 52

4.2.2 等效应力场和等效应变场分布 ... 57

4.2.3 温度场分布 60

4.2.4 轧制力 ... 62

第五章 高温合金 GH4169 可逆热轧规律研究.68

5.1 压下量的影响 69

5.1.1 压下量对轧制力的影响 69

5.1.2 压下量对温度的影响 .... 69

5.2 温度的影响.... 70

5.2.1 轧件初始温度对心部温升的影响 .... 70

5.2.2 温度对轧制力的影响 .... 71

5.2.3 温度对宽展的影响 ... 71

5.3 轧制速度的影响. 72

5.4 接触换热系数、对流换热系数的影响 73

第六章 结论与展望75

参考文献77

致 谢81

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文...82

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