中厚板轧制过程中温度高精度设定与应用

论文摘要

在中厚板生产过程中,温度是最重要的参数之一。由于温度直接影响到轧制力,因此精确预报生产过程中各阶段的温度是保证厚度、宽度和板形等精度的关键；另外,温度也为产品组织性能的预测和控制提供了必要的数据支持。过去中厚板生产过程中使用的温度计算模型或受其求解机理限制或过于简化,难以适应生产环境的变化,计算偏差较大。因此,开发高精度的温度数学模型具有十分重要的意义。作为一种数值计算方法,有限元法能够准确地计算轧制过程中轧件的温度场。过去由于受有限元法计算时间的限制和有限元法计算瞬态温度场时振荡现象等原因的影响,在线应用受到限制。随着计算机技术的迅猛发展,有限元法分析瞬态温度场基本理论的完善和一些针对有限元方法快速算法的提出,用有限元法在线计算热轧过程中的温度成为可能。本文以传热学基本理论为基础,采用有限元方法开发了中厚板轧制过程中二维温度高精度计算模型；该模型可以计算出任意时刻钢板横断面上各点的温度值,并给出平均、心部和表面温度。以某中厚板厂实际生产过程为背景,制定了有限元模型的在线应用方案,并实现了在线应用。主要研究内容如下：(1)用有限元方法开发了中厚板轧制过程温度场计算模型,综合考虑了空冷、水冷和轧制期间的各种边界条件、变形升温和热物性参数的变化等因素。(2)分析了有限元温度计算模型的计算精度问题,分析了轧制各阶段迭代次数、单元数、轧制变形升温和热物性参数变化等方面对计算结果的影响。(3)分析了用有限元法求解瞬态温度场时产生振荡问题的原因,研究了各种降低或避免振荡的方法。(4)分析了有限元温度计算模型的计算时间问题,分析了迭代次数、单元数和热物性参数计算模型等方面对计算效率的影响。(5)结合该中厚板厂的轧制工艺制度和过程控制系统的实际情况,制定了有限元温度计算模型的在线应用方案,并实现了在轧制中的应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景、意义和目的
• 1.2 用有限元法研究轧制问题的状况
• 1.3 有限元方法求解存在的问题
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 中厚板生产工艺技术概述
• 2.1 中厚板轧机的发展
• 2.1.1 国外发展概况
• 2.1.2 国内发展概况
• 2.2 中厚板轧制过程数学模型的发展
• 2.2.1 规程分配
• 2.2.2 厚度控制技术
• 2.2.3 平面形状和宽度控制
• 2.2.4 板形和板凸度控制
• 2.3 中厚板生产工艺过程简介
• 2.4 轧制过程控制系统
• 2.4.1 数据采集与处理子系统
• 2.4.2 跟踪子系统
• 2.4.3 轧制模型设定与控制子系统
• 2.4.4 过程控制系统的数据流图
• 2.5 本章小结
• 第3章 有限元法求解温度问题的基本理论
• 3.1 有限元法求解温度问题的变分原理
• 3.1.1 无内热源平面非稳态温度场的变分原理
• 3.1.2 有内热源平面非稳态温度场的变分原理
• 3.2 有限元网格的自动划分及节点的编号
• 3.3 单元内温度插值及形状函数
• 3.4 Jacobi矩阵及其逆矩阵和行列式
• 3.5 高斯数值积分
• 3.6 有限元程序开发的特点和要求
• 3.7 求解温度场有限元程序组成
• 3.8 本章小结
• 第4章 中厚板轧制过程温度场的有限元法解析
• 4.1 传热的基本理论
• 4.1.1 含有内热源的热传导基本方程
• 4.1.2 初始条件和边界条件
• 4.1.3 传热问题的泛函和变分原理
• 4.2 有限元求解公式
• 4.3 温度场有限元计算准备
• 4.3.1 网格划分
• 4.3.2 边界条件处理
• 4.3.3 塑性变形升温
• 4.3.4 相变潜热与热物性参数模型
• 4.4 温度场的计算流程图
• 4.5 计算实例
• 4.6 本章小结
• 第5章 有限元温度计算模型的计算精度分析
• 5.1 迭代次数对温度场计算结果的影响
• 5.2 单元数对温度场计算结果的影响
• 5.3 变形升温和摩擦对计算结果的影响
• 5.4 热物性参数模型的影响
• 5.5 有限元求解过程中的数值振荡现象及解决办法
• 5.5.1 细化网格
• 5.5.2 差分格式
• 5.5.3 动态变步长
• 5.5.4 集中热容矩阵
• 5.5.5 计算实例
• 5.6 本章小结
• 第6章 有限元温度数学模型的在线应用
• 6.1 计算时间的影响因素分析
• 6.1.1 迭代次数
• 6.1.2 单元数
• 6.1.3 热物性参数
• 6.2 中厚板轧制过程中有限元温度计算程序模块
• 6.3 有限元温度计算程序模块的计算精度分析
• 6.4 有限元温度计算程序模块的计算时间分析
• 6.5 有限元温度模型的应用方案
• 6.6 有限元温度模型的应用效果
• 6.7 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 硕士期间完成的论文和专利
• 致谢