H型钢BD热轧工艺综合仿真系统开发

论文摘要

H型钢是一种截面面积分配更加优化、强重比更加合理的断面型材,在国民经济建设中的作用日益增强。H型钢的热轧工艺属于非线性塑性大变形过程,难以用准确的数学模型进行求解。随着计算机性能的提高,有限元法已被越来越多地应用到型钢热轧工艺的模拟。目前,针对H型钢热轧工艺的数值仿真多是采用大型商业有限元软件,如ANSYS, ABAQUS以及Marc等。由于软件自身的通用性,以及工艺涉及多个道次往复轧制和热连轧过程,所以造成仿真前处理建模繁琐、道次间网格重构困难以及后处理信息提取不便的问题。为了解决以上问题,本文构建了针对H型钢热轧工艺的综合仿真系统。该系统完成了轧制过程即时信息的提取,实现了整个轧制过程的信息透明化,对于热轧生产工艺的改进以及新钢种产品的开发具有重要的指导意义。本文完成的主要研究工作如下：基于商业有限元软件ABAQUS显式求解器,利用弹塑性有限元理论,模拟H型钢各道次瞬态轧制过程,通过软件脚本接口进行前、后处理的开发,构建针对轧制工艺的仿真系统。以BD粗轧往复轧制工艺为研究对象,仿真系统采用自定制应用程序的方式,在构建用户CAE主界面的基础上,通过Python脚本程序构建前后处理模块及对应的图形用户界面。仿真系统瞬态轧制前处理实现了轧件建模、材料属性赋值、轧制模型装配、网格划分、接触属性和边界条件施加等操作的参数化设计,对应的图形用户界面用于重要工艺参数的修改或输入,自动完成各种型号中型H型钢各个轧制道次的任务提交。针对不同道次间大塑性变形引起的网格畸变问题,仿真系统通过嵌入网格重构程序,自动进行稳态探测以及拾取轧件边界重构网格,实现了温度、应力和等效塑性应变等轧制信息的准确传递。仿真系统后处理中,用户可以方便地选择所要输出的参数,实现每一道次和道次间隙之后即时信息的提取。进行了轧制现场数据采集,将系统自动提取得到的各道次温度场分布和轧制载荷数据同现场测量数据对比,轧制表面温度误差控制在5%以内,而轧制载荷基本反映轧制力变化的规律,验证了系统的可靠性和准确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 热轧H型钢特点及发展
• 1.1.1 H型钢特点
• 1.1.2 H型钢发展历史和生产现状
• 1.1.3 热轧H型钢生产流程
• 1.2 热轧H型钢轧制工艺仿真研究现状
• 1.3 ABAQUS有限元软件的二次开发现状
• 1.3.1 子程序开发现状
• 1.3.2 前处理开发现状
• 1.3.3 后处理开发现状
• 1.4 课题来源及主要内容
• 1.5 课题研究的目的和意义
• 第2章 热轧工艺仿真系统基本原理
• 2.1 仿真系统整体结构和实现方案
• 2.1.1 仿真系统组织结构和功能要求
• 2.1.2 仿真系统实现方案
• 2.2 求解器原理
• 2.2.1 非线性问题
• 2.2.2 ABAQUS求解器非线性分析
• 2.2.3 温度场有限元理论
• 2.3 ABAQUS前后处理二次开发基础理论
• 2.3.1 ABAQUS/CAE处理过程
• 2.3.2 ABAQUS脚本接口及Python语言
• 2.3.3 ABAQUS常用文件
• 2.3.4 ABAQUS GUI Toolkit的使用方式
• 2.4 本章小结
• 第3章 BD热轧工艺仿真系统总体设计
• 3.1 BD热轧工艺仿真系统结构
• 3.1.1 BD热轧工艺仿真流程分析
• 3.1.2 粗轧工艺仿真系统结构
• 3.2 粗轧工艺应用程序
• 3.2.1 程序文件管理
• 3.2.2 粗轧工艺仿真系统应用程序管理
• 3.2.3 应用程序启动
• 3.3 轧制系统CAE主窗口界面
• 3.4 本章小结
• 第4章 BD热轧工艺仿真系统前处理
• 4.1 前处理的准备工作
• 4.2 第一道次前处理
• 4.2.1 图形用户界面设计
• 4.2.2 第一道次内核前处理
• 4.3 道次间隙前处理
• 4.3.1 轧制模型网格重构
• 4.3.2 稳态探测程序
• 4.3.3 原有草图外轮廓的重生成
• 4.3.4 新旧网格单元信息传递
• 4.4 后续道次前处理
• 4.4.1 图形用户界面设计
• 4.4.2 后续道次内核前处理
• 4.5 任务提交处理
• 4.6 系统前处理验证
• 4.7 本章小结
• 第5章 BD热轧工艺仿真系统后处理及验证
• 5.1 仿真系统后处理
• 5.1.1 后处理开发基本原理及步骤
• 5.1.2 后处理内核程序开发
• 5.1.3 后处理图形用户界面GUI
• 5.2 温度场信息提取及验证
• 5.2.1 温度场信息提取及分析
• 5.2.2 温度场验证
• 5.3 轧制力数据处理及验证
• 5.3.1 轧制力数据处理程序
• 5.3.2 轧制力验证
• 5.4 单个节点或单元的数据适时提取
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 学位论文评阅及答辩情况表