板带钢热轧过程宏观行为与介观组织的综合模拟

论文摘要

随着科学技术的发展,人们对钢铁产品质量提出了越来越高的要求,计算机数值模拟技术在轧制过程中的广泛应用,为分析轧制过程、改善钢材质量提供了新的手段。数值模拟不仅可以实现轧件尺寸形状的预测,而且可以对其组织演变进行模拟。利用计算机使得轧制过程的求解变得更加方便、快捷和精确,同时,传统的实验方法已不足以满足人类对材料制备的新需求,如果在计算机上再现材料成形过程,进行辅助实验,能够节约实验成本,加快新产品开发的周期,在指导产品开发和工艺优化设计中发挥作用。为此,本文以板带钢热轧过程为研究背景,采用有限元与元胞自动机相结合的方法,对板带钢热轧过程宏观行为与介观组织演变进行了综合模拟研究,以加深对板带钢轧制过程组织演变深层规律的认识。论文的主要研究工作如下：(1)提出将有限元与元胞自动机相结合对热轧过程组织演变进行宏观与介观综合模拟的思路和方法,给出本文所采用的模拟热轧板带钢宏观行为(温度场、应变场等)的有限元方法和基本理论,以及用于模拟热轧板带钢介观组织(再结晶、相变等)的元胞自动机原理和方法。(2)对板带钢热轧过程宏观变形行为进行研究,建立板带钢热轧过程温度场及应变场的有限元模型,模拟轧件温度随时间的变化规律以及轧件内部的温度分布,模拟轧制变形区应变的分布情况,为进一步分析热轧板带钢的介观组织演变提供了基础。(3)对板带钢热轧过程介观组织演变进行研究,建立板带钢热变形奥氏体动态再结晶和静态再结晶的二维元胞自动机模型,开发模拟板带钢轧制过程动态、静态再结晶的元胞自动机软件。模拟中考虑板带钢在变形中所发生的奥氏体动态再结晶、动态回复及在变形后发生的静态再结晶、静态回复、亚动态再结晶和晶粒长大等一系列过程。模拟奥氏体再结晶组织动态演变过程,实现再结晶晶粒尺寸、体积分数、静态软化率曲线、、’位错密度、流变应力及晶粒形态等参数的定量化、精确化和可视化描述。(4)利用元胞自动机模拟结果,分析变形温度、变形速率等工艺参数对热变形奥氏体再结晶组织的影响。通过热模拟实验研究,实测动态再结晶过程中的流变应力,并观察其显微组织，将实测结果与模拟结果相比较来验证模型的精度。(5)根据奥氏体相变原理,开发板带钢热变形后连续冷却相变的二维元胞自动机模拟软件。模拟连续冷却中奥氏体向铁素体、珠光体和贝氏体转变的相变过程。计算不同冷却速率下相变类型、相变开始温度、相变动力学曲线、晶粒尺寸及碳浓度的分布等,分析温度和冷却速率对奥氏体相变组织的影响。(6)把有限元与元胞自动机结合起来进行宏观变形与介观组织变化的综合模拟研究,利用轧件变形区内及轧制道次间隔温度场和应变场的有限元模拟结果作为元胞自动机计算的初始条件和边界条件,在沿金属变形流线选定特征微元,对动态再结晶和静态再结晶的组织演变过程进行元胞自动机模拟,分析宏观变形行为对微元晶粒尺寸、再结晶分数和流变应力等介观组织演变的影响。模拟中厚板轧后冷却过程的组织变化,分析不同温度范围和冷却速率等宏观行为对微元所发生相变类型、相变开始温度和相变介观组织的影响。(7)通过有限元与元胞自动机的综合模拟结果,得到能够再现板带钢轧制变形区内及轧后再结晶过程展示图和轧后连续冷却中相变过程组织演变的展示图,从而实现对再结晶、相变等介观组织演变过程的直观化和形象化的描述。上述研究工作建立起了塑性加工过程宏观变形分析与介观组织模拟之间的联系,对轧制过程的多尺度耦合模拟进行了探索,为加深对塑性成形过程物理本质的认识提供了一种新方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 研究领域的国内外现状
• 1.2.1 有限元法在热轧过程宏观行为模拟中的应用
• 1.2.1.1 有限元法在温度场模拟中的应用
• 1.2.1.2 有限元法在应变场模拟中的应用
• 1.2.2 元胞自动机在金属材料介观组织模拟中的应用
• 1.2.2.1 元胞自动机在凝固过程模拟中的应用
• 1.2.2.2 元胞自动机在再结晶过程模拟中的应用
• 1.2.2.3 元胞自动机在相变过程模拟中的应用
• 1.3 本研究目的意义和主要研究内容
• 2 宏观与介观综合模拟的方法及基本原理
• 2.1 宏观与介观综合模拟的思路与方法
• 2.1.1 宏观与介观综合模拟的思路
• 2.1.2 宏观与介观综合模拟的计算流程
• 2.2 刚塑性有限元方法的基本原理
• 2.2.1 单元内温度（速度）插值及形状函数
• 2.2.2 变形速度与节点速度的关系、B矩阵
• 2.2.3 Jacobi矩阵及其逆矩阵和行列式
• 2.2.4 高斯数值积分
• 2.3 热轧板带钢温度场的有限元解析
• 2.3.1 热传导基本理论
• 2.3.1.1 热传导偏微分方程
• 2.3.1.2 导热问题的定解条件
• 2.3.2 温度场的有限元求解公式化
• 2.3.2.1 热传导问题的泛函和变分原理
• 2.3.2.2 有限元求解公式
• 2.4 热轧板带钢应变场的有限元解析
• 2.4.1 总能耗率泛函的离散化
• 2.4.2 总能耗率泛函的最小化
• 2.5 元胞自动机的原理、方法和应用选择
• 2.5.1 元胞自动机的定义
• 2.5.2 元胞自动机的构成
• 2.5.2.1 元胞和元胞空间
• 2.5.2.2 邻居和边界条件
• 2.5.2.3 演化规则
• 2.5.3 元胞自动机的一般特征
• 2.5.4 元胞自动机的分类
• 2.5.5 元胞自动机的辨证思想
• 2.5.6 元胞自动机的程序设计方法
• 2.6 小结
• 3 有限元方法模拟热轧过程宏观行为
• 3.1 板带钢热轧过程温度场计算结果及分析
• 3.1.1 变形区内轧件温度计算方法
• 3.1.2 轧件空冷与水冷过程的温度计算方法
• 3.1.3 计算条件及计算结果
• 3.2 板带钢热轧过程应变场模拟结果及分析
• 3.2.1 计算条件
• 3.2.2 应变场模拟结果
• 3.3 小结
• 4 热变形奥氏体再结晶过程的CA模拟
• 4.1 奥氏体再结晶基本原理
• 4.1.1 动态再结晶理论
• 4.1.2 静态再结晶的形核机制
• 4.2 动态再结晶CA模型的建立
• 4.2.1 动态再结晶数学模型
• 4.2.2 母相组织的背底模型
• 4.2.3 动态再结晶CA模型
• 4.3 动态再结晶CA模拟结果
• 4.3.1 模拟条件
• 4.3.2 动态再结晶介观组织演变的模拟结果
• 4.3.3 动态再结晶动力学曲线的模拟结果
• 4.3.4 动态再结晶位错密度演变的模拟结果
• 4.3.5 动态再结晶流变应力的模拟结果
• 4.3.6 动态再结晶晶粒尺寸的模拟结果
• 4.4 静态再结晶CA模型的建立
• 4.4.1 静态再结晶数学模型
• 4.4.2 静态再结晶CA模型
• 4.5 静态再结晶CA模拟结果
• 4.5.1 模拟条件
• 4.5.2 静态软化率曲线模拟结果
• 4.5.3 静态再结晶介观组织演变的模拟结果
• 4.5.4 静态再结晶位错密度演变的模拟结果
• 4.6 奥氏体再结晶的实验研究和模型验证
• 4.6.1 实验方法
• 4.6.2 实验结果与模型验证
• 4.7 小结
• 5 连续冷却奥氏体相变过程的CA模拟
• 5.1 奥氏体连续冷却相变基本原理
• 5.2 奥氏体连续冷却相变CA模型的建立
• 5.2.1 奥氏体连续冷却相变数学模型
• 5.2.2 奥氏体连续冷却相变CA模型
• 5.3 奥氏体连续冷却相变CA模拟结果 #90.
• 5.3.1 模拟条件
• 5.3.2 连续冷却相变体积分数的模拟结果
• 5.3.3 连续冷却相变介观组织演变的模拟结果
• 5.3.4 连续冷却相变碳浓度变化的模拟结果
• 5.3.5 连续冷却相变晶粒尺寸的模拟结果
• 5.4 小结
• 6 热轧板带钢宏观行为与介观组织综合模拟
• 6.1 变形区内及轧后宏观行为与再结晶过程综合模拟
• 6.1.1 再结晶综合模拟条件
• 6.1.2 再结晶综合模拟结果
• 6.2 轧后冷却过程宏观行为与相变过程综合模拟
• 6.2.1 相变综合模拟条件
• 6.2.2 相变综合模拟结果
• 6.3 综合模拟结果的展示
• 6.3.1 再结晶模拟结果展示图
• 6.3.2 相变模拟结果展示图
• 6.4 小结
• 7 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的研究工作及成果
• 致谢
• 作者简介