基于无网格法的连铸结晶器内坯壳凝固与热应力的数值模拟

论文题目: 基于无网格法的连铸结晶器内坯壳凝固与热应力的数值模拟

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料科学与工程

作者: 张雷

导师: 黄天佑

关键词: 连铸,凝固,热弹塑性应力,无网格方法,无网格迭代法

文献来源: 清华大学

发表年度: 2005

论文摘要: 无网格方法是一种新的数值计算方法,本文对该方法在连铸结晶器内坯壳凝固与热应力分析中的应用进行了研究。论文研究了径向基函数法和有限点法两种配点型的无网格法在分析实际传热与凝固问题时的实现方法。根据经典的高斯迭代法和松弛迭代法,通过对径向基函数法的求解平衡方程进行变换,提出了迭代求解算法。研究表明:(1)迭代法可以节省内存,适合于求解大规模工程问题。(2)有限点方法的实用性较好;(3)有限点方法在求解二维问题时表现良好的权函数影响域放大系数ac,在求解其它类似问题时也能获得较好的结果。以上结果为无网格方法在连铸结晶器内坯壳凝固与热应力分析中的应用提供了依据。基于无网格有限点方法实现了求解凝固导热问题的算法,并用Onate 的稳定性方法处理了Neumann 边界条件,给出了凝固潜热的求解方程式和实施方案,并且考虑了材料非线性。研究表明:对于Neumann 边界条件的处理,能提高计算精度。用经典的凝固问题验证了算法的正确性。在求解弹性静力学方程的无网格局部迦辽金法的基础上,给出了其求解热弹塑性问题的位移求解平衡方程式;采用增量切线刚度法处理了热弹塑性材料非线性,给出了相应的方程式及实现步骤;通过对分片试验、定向拉伸以及等温膨胀等问题的数值分析,验证了该算法的可靠性。作者开发了连铸结晶器内铸坯热-力耦合无网格分析程序,并对小方坯连铸结晶器内铸坯凝固与热应力进行了分析,结果表明:(1)铸坯内不同部位冷却不均匀造成偏角处塑性应变集中,容易发生变形;(2)气隙的产生降低了坯壳角部热流,使得坯壳厚度薄;(3)气隙产生以及随后的扩张,加剧了坯壳内冷却不均匀,使得偏角处产生较大的应力和塑性应变。另外大方坯实例分析显示结晶器内凝固坯壳厚度的无网格计算结果符合测量结果。论文研究表明,无网格方法适合于连铸结晶器铸坯热-力耦合分析,计算结果符合连铸方坯偏角区域缺陷的形成规律和角部内层应力应变分布特征,同实际相符;分析结果同有限元方法一致。

论文目录:

摘要

ABSTRΑCT

主要符号对照表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景与选题意义

1.2.1 连铸生产技术优点及发展现状

1.2.2 连铸生产质量控制及数值模拟技术的应用

1.2.3 数值模拟技术的新发展-无网格方法综述

1.2.4 选题意义

1.3 论文研究的主要内容

第二章 无网格方法研究

2.1 径向基函数法

2.1.1 直接配置法

2.1.2 紧支径向基函数

2.1.3 直接配置法的迭代求解法

2.1.4 影响迭代求解方法的因素

2.2 有限点方法

2.2.1 移动最小二乘近似(Moving Least Square Method:MLSM)

2.2.2 影响有限点法求解的因素

2.2.2.1 基函数的选择

2.2.2.2 权函数的选择

2.2.2.3 权函数的影响域及影响半径

2.3 有限点方法同径向基函数法对比分析

2.4 本章小结

第三章 连铸结晶器内凝固过程分析的无网格模型

3.1 控制方程描述

3.2 控制方程的无网格形式

3.2.1 Neumann 边界条件的稳定性处理

3.2.2 控制方程的空间离散

3.2.3 控制方程的时间离散

3.2.3.1 隐式格式

3.2.3.2 两点时间差分通用格式

3.2.4 凝固潜热的处理

3.2.4.1 热焓法

3.2.4.2 显热容法-直接计算法

3.2.5 材料非线性的求解方法

3.3 凝固过程的有限点法计算程序框图

3.4 模型验证

3.4.1 边界稳定性问题

3.4.2 一维凝固问题

3.4.3 二维凝固问题

3.5 本章小结

第四章 结晶器内凝固坯壳热应力分析的无网格模型

4.1 局部迦辽金方法

4.2 控制方程描述

4.3 控制方程的无网格形式

4.4 热弹塑性材料非线性求解方法

4.5 模型验证

4.5.1 分片试验(Patch Test)

4.5.2 单向拉伸

4.5.3 自由热膨胀

4.6 本章小结

第五章 连铸结晶器内无网格方法热-力分析

5.1 连铸结晶器内无网格热-力分析方法

5.2 小方坯连铸结晶器内无网格热-力分析实例

5.2.1 计算模型及假设条件

5.2.2 模拟计算及结果分析

5.2.3 角部气隙对连铸过程的影响

5.2.4 拉坯速度对连铸过程的影响

5.3 大方坯连铸结晶器内无网格热-力分析工厂应用实例

5.3.1 工程背景描述

5.3.2 模拟结果及分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

个人简历、在学期间的科研工作及发表的论文

发布时间: 2005-11-16

参考文献

• [1].电磁软接触连铸结晶器内多物理场耦合数值模拟研究[D]. 康丽.东北大学2008
• [2].不同结构型式连铸结晶器的电磁软接触特性研究[D]. 张林涛.东北大学2008
• [3].新型高速连铸结晶器的理论研究与实际应用[D]. 盛义平.燕山大学2007
• [4].连铸结晶器非正弦振动控制的研究[D]. 吴晓明.燕山大学2001
• [5].连铸结晶器热、力在线检测技术及其应用基础研究[D]. 王旭东.大连理工大学2008
• [6].电磁场控制连铸结晶器内流动研究[D]. 于湛.上海大学2010
• [7].高效连铸结晶器铜材表面涂层制备、性能表征及其机理研究[D]. 李惠.江苏大学2014

相关论文

• [1].连铸结晶器非正弦振动控制的研究[D]. 吴晓明.燕山大学2001
• [2].连铸坯表面振痕形成机理及其电磁控制技术[D]. 雷作胜.上海大学2004
• [3].薄板连铸坯的温度与应力状态的研究[D]. 陈登福.重庆大学1997

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