热轧过程中轧辊的温度场和应力场分析

论文摘要

轧辊是轧机中重要的部件。轧辊在轧制生产过程中处于复杂的应力状态中,尤其是热连轧机的轧辊工作环境恶劣,轧辊要与高温轧件、冷却水以及支承辊进行接触。在整个轧制生产中轧辊要承受由于冷却水引起的周期性热应力,轧制负荷所引起的接触应力、剪切应力以及残余应力等。大量的生产实践证明,裂纹的产生、疲劳破坏和轧辊表面的剥落是导致轧辊失效、影响其寿命的主要原因,而这些都与轧辊的受力状况密切相关。因此,如果能将轧辊所受的温度和载荷等综合因素考虑进来,对其应力、疲劳损伤及裂纹的产生原因做一个较深入和全面的了解,建立起一个符合实际工况的力学模型,并在这个基础上,对轧辊的疲劳寿命进行预测,这对提高产品质量,保证生产顺利进行有重大意义。本课题以某热连轧机的工作辊为研究对象,从传热学和力学角度对轧辊的温度变化及应力变化进行分析,并在此基础上对轧辊的疲劳使用寿命做了探讨。具体内容如下:首先,本文采用MSC.Marc有限元分析软件,建立了轧辊的三维模型并对轧辊进行温度场模拟,得到稳定轧制状态下的温度场;其次,以轧辊稳定轧制状态下的温度场为基础,考虑在轧制过程中轧辊所承受的各种载荷,建立起轧辊三维热力耦合分析模型,研究轧辊稳定轧制状态下的应力场分布规律;最后,讨论轧辊失效形式,对轧辊的疲劳寿命进行预测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 轧辊的分类及发展
• 1.1.1 轧辊的分类
• 1.1.2 轧辊的发展
• 1.2 国内外轧辊研究现状
• 1.3 本课题研究的主要内容及意义
• 1.3.1 本课题研究的主要内容
• 1.3.2 本课题研究的主要意义
• 第2章 热轧工作辊的温度场和应力场数学模型
• 2.1 传热学的基本定律
• 2.1.1 傅里叶定律
• 2.1.2 热传导导热定律
• 2.1.3 对流传热的牛顿定律
• 2.1.4 能量守恒定律
• 2.2 导热微分方程及其定解条件
• 2.2.1 导热微分方程
• 2.2.2 定解条件
• 2.3 热应力耦合有限元法
• 2.3.1 热应力与热应变
• 2.3.2 热力平衡分方程
• 2.3.3 热力耦合有限元列式
• 2.4 本章小结
• 第3章 轧辊有限元模型的建立
• 3.1 温度场分析
• 3.1.1 热轧工作辊的热流分析
• 3.1.2 物理条件及边界条件分析
• 3.2 应力场分析
• 3.2.1 轧制力
• 3.2.2 热应力
• 3.3 模型的建立
• 3.3.1 模型分析
• 3.3.2 温度场分析模型的建立
• 3.3.3 应力场分析模型的建立
• 3.4 MSC.Marc 有限元软件介绍
• 3.5 本章小结
• 第4章 热轧过程中轧辊温度场分析
• 4.1 轧辊温度场分析条件
• 4.1.1 分析方法
• 4.1.2 模拟参数
• 4.2 轧辊温度场模拟结果
• 4.2.1 轧辊径向温度分析
• 4.2.2 轧辊周向温度分析
• 4.2.3 轧辊轴向温度分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 轧辊三维热力耦合分析
• 5.1 工作辊热应力分析
• 5.1.1 分析方法
• 5.1.2 热应力的计算方法
• 5.1.3 热应力结果和热辊型分析
• 5.2 工作辊耦合应力分析
• 5.2.1 分析方法
• 5.2.2 仿真结果及分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 工作辊表面疲劳寿命的分析研究
• 6.1 轧辊失效形式分析
• 6.1.1 轧辊裂纹描述
• 6.1.2 轧辊表面剥落形式
• 6.1.3 轧辊断裂形式
• 6.2 轧辊失效原因分析
• 6.2.1 温度对轧辊寿命的影响
• 6.2.2 接触应力对轧辊寿命的影响
• 6.3 轧辊疲劳寿命曲线
• 6.3.1 单轴波动载荷的疲劳寿命曲线
• 6.3.2 多轴波动载荷的疲劳寿命曲线
• 6.4 疲劳寿命估算
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介