中厚板辊式淬火过程数值模拟研究

论文摘要

本文以南京钢铁公司中厚板卷厂热处理工程3500mm辊式淬火机项目为背景，分析研究了钢板淬火过程表面的换热机理,完成了工业生产中中-厚板辊式淬火过程心部冷却曲线的在线测量实验。以ANSYS软件为平台,研究采用冲击射流冷却时钢板表面换热边界条件,对中厚板辊式淬火过程的三维温度场和应力应变场进行了数值模拟和研究,得到了在时间、空间上的温度场和应力应变场的分布。论文研究内容如下：（1）通过合理设计实验方案,在工业生产现场完成了钢板辊式淬火过程“黑匣子”实验,得到了50mmm厚度规格高强钢板Q690淬火过程心部温降曲线,并以此为基础通过实测温度冷却曲线和模拟冷却曲线对比确定淬火过程钢板表面对流换热系数。（2）针对中厚板辊式淬火过程,分析了高效均匀连续淬火冷却机理。应用有限元数值模拟方法,对钢板淬火过程温度场变化进行了三维的数值模拟,解决了运行中的钢板进行辊式淬火的瞬态温度场求解问题,分析了淬火过程中钢板表面温度场分布及厚度、宽度和长度方向上的温度场分布情况。（3）利用有限元数值模拟方法,依据热弹塑性数学模型,对钢板辊式淬火过程热应力应变场进行了研究,分析了钢板淬火过程热应力应变场变化规律,对淬火控冷过程中最大热应力进行了预测分析。钢板淬火过程热应力应变场分析结果表明：钢板在高压淬火区域内淬火20s时刻钢板表面应力达到最大值；钢板表层应力具有由受拉应力到受压应力的转变规律,钢板心部应力具有由受到压应力到受拉应力转变的规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 中厚板辊式淬火机装备及工艺概述
• 1.2.1 辊式淬火工艺流程及淬火机装备描述
• 1.2.2 中厚板辊式淬火机工艺要素
• 1.2.3 辊式淬火过程的热交换机理
• 1.2.4 辊式淬火冷却过程的特点
• 1.3 淬火过程数值模拟基本原理和方法
• 1.3.1 耦合关系模型
• 1.3.2 热传导方程
• 1.3.3 相变动力学
• 1.3.4 弹塑性本构关系
• 1.3.5 非线性问题
• 1.4 淬火过程数值模拟概况
• 1.5 淬火过程数值模拟的难点及存在的问题
• 1.6 本文主要研究内容
• 第2章 中厚板淬火有限元模拟理论基础
• 2.1 中厚板淬火过程传热学基本原理
• 2.1.1 中厚板淬火过程的热传导控制方程
• 2.1.2 淬火过程瞬态温度场有限元分析
• 2.2 有限元法与有限元软件ANSYS简介
• 2.2.1 有限元法
• 2.2.2 软件概述
• 2.2.3 分析过程
• 2.3 本章小结
• 第3章 辊式淬火过程表面换热系数研究
• 3.1 钢板辊式淬火心部温度场测量实验
• 3.1.1 实验设备和器材
• 3.1.2 实验方案
• 3.2 实验结果分析
• 3.2.1 钢淬火过程心部冷却曲线
• 3.2.2 淬火过程心部的冷却速率
• 3.3 辊式淬火钢板表面换热系数研究
• 3.3.1 淬火过程中的传热方式
• 3.3.2 淬火过程各阶段表面换热系数确定
• 3.4 本章小结
• 第4章 辊式淬火过程温度场数值模拟
• 4.1 三维温度场的建模
• 4.1.1 假设条件
• 4.1.2 边界条件及物性参数选取
• 4.1.3 钢板温度场的有限元网格模型
• 4.1.4 温度场的载荷确定
• 4.2 三维瞬态模拟结果分析
• 4.2.1 钢板淬火表面温度场分布
• 4.2.2 钢板宽度方向温度分布
• 4.2.3 钢板长度方向度温度分布
• 4.2.4 钢板厚度方向温度分布
• 4.3 本章小结
• 第5章 辊式淬火过程应力应变场数值模拟
• 5.1 热弹塑性有限元基本原理
• 5.2 钢板淬火应力/应变场有限元模拟
• 5.2.1 应力/应变场的建模
• 5.2.2 淬火过程热应力分析
• 5.2.3 厚度方向不同点的位移
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢