大规格圆钢断面应力的有限元分析

论文摘要

本课题项目结合石家庄钢铁股份有限公司棒材连轧生产线生产实际情况,通过计算机模拟的手段,研究圆钢成型过程中金属在孔型中的流动性,探明各轧制工艺参数对钢材内部质量的影响。项目研究分为理论研究和现场实施,其中理论研究对成品圆钢内部裂纹的出现进行了模拟研究。通过对金属变形过程中形变应力的模拟,得到了工艺参数对轧件质量的影响规律,提出了降低圆钢心部开裂缺陷出现的工艺措施,经过对原有工艺参数调整,改善了金属流动状态,达到了有效降低钢材内在缺陷的目的。研究过程中,为了得到精确的模拟结果,针对金属形变应力分析的特点,采用了DEFORM有限元模拟手段,较全面地分析了金属形变过程中各个阶段的轧件断面内在压下、宽展、轧制三个方向的应力、应变规律,进行了不同工艺条件对断面应力分布的影响规律研究。研究了夹杂物的存在引起的应力变化规律。项目主要研究内容包括:钢材内在缺陷(心部裂纹)的轧制形成机理研究;利用DEFORM有限元软件进行形变模拟分析,分析成品及成品前道次的金属流动规律得到残余应力分布;在变形量相同的情况下,研究孔型形状、摩擦系数、轧辊直径等工艺参数对金属的形变、金属流动性以及应力分布规律的影响;研究在有非金属夹杂物存在的情况下,轧件心部的应力变化情况;通过对代表钢种的轧制成型过程进行模拟,确定各工艺参数的变化对钢材内在质量的影响,提出工艺改进措施。通过模拟研究,得到以下结论:轧件心部的裂纹是在轧制变形区产生的,它的直接力学原因就是轧件心部受到三向拉应力;通过优化孔型,适量增加倒数第二道椭圆孔型的宽高比,可以改善心部拉应力状态;加大轧辊磨削时的表面粗糙度,增大摩擦系数,可以降低心部拉应力;对于易于出现内裂的钢种和规格,可利用重磨后的小直径轧辊进行轧制,有利于降低心部拉应力。非金属夹杂物可引起明显的应力集中现象,加速心部裂纹的聚合和开裂;控制轧制前各工序非金属夹杂物的混入,对减少和避免轧件裂纹的产生有重要意义。根据模拟分析结论,现场对各工艺加以改进后,有效降低了内裂的出现,内部质量得到了提升,达到了项目预期效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 圆钢内裂问题有限元模拟研究现状
• 1.3 裂纹的形成机理
• 1.3.1 轧材内部裂纹形成的内部因素
• 1.3.2 轧材内部裂纹形成的外部因素
• 1.4 断裂问题及其判据
• 1.4.1 断裂的基本类型
• 1.4.2 韧性断裂的过程及特点
• 1.4.3 断裂产生的判据
• 1.5 研究内容、目的、意义
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 研究目的及意义
• 2 数值模拟的基本理论
• 2.1 有限元法简介
• 2.2 轧制分析中的有限元方法
• 2.2.1 刚塑性有限元法
• 2.2.2 弹塑性有限元法
• 2.2.3 粘塑性有限元法
• 2.3 有限元软件DEFORM 的介绍
• 2.4 有限元法分析的一般过程
• 3 数值模拟过程
• 3.1 模型的建立
• 3.2 材料属性及边界条件的确定
• 3.3 算法与求解器的选择
• 3.4 接触边界摩擦条件的处理
• 3.5 网格重新划分问题
• 3.6 假设条件
• 4 形变应力模拟结果分析
• 4.1 终轧道次各场量的模拟
• 4.1.1 轧制速度场的模拟
• 4.1.2 位移场的模拟
• 4.1.3 等效应变场的模拟
• 4.1.4 等效应变率场的模拟
• 4.1.5 等效应力场的模拟
• 4.2 轧制过程中变形和受力的不均匀分析
• 4.2.1 轧制过程轧件断面变形分区
• 4.2.2 变形和应力不均匀分布产生的原因
• 4.3 轧件心部裂纹成因的分析
• 4.3.1 轧制变形区的受力分析
• 4.3.2 轧件断面心部主应力分析
• 4.4 本章小结
• 5 防止裂纹产生的工艺改进措施
• 5.1 轧件断面宽高比的调整
• 5.2 轧辊表面粗糙度的调整
• 5.3 重车后不同辊径大小的选择
• 5.4 本章小结
• 6 非金属夹杂物对断面应力变化的影响
• 6.1 非金属夹杂物的来源
• 6.1.1 外来夹杂物
• 6.1.2 内生夹杂物
• 6.2 钢中非金属夹杂物的分类
• 6.2.1 按化学成分分类
• 6.2.2 按塑性变形能力分类
• 6.3 非金属夹杂物对钢性能的影响
• 6.3.1 非金属夹杂物对材料塑性的影响
• 6.3.2 非金属夹杂物对材料韧性的影响
• 6.3.3 非金属夹杂物对钢疲劳性能的影响
• 6.4 非金属夹杂物与裂纹的形成
• 6.5 夹杂物的数值模拟
• 6.6 夹杂物的数值模拟结果分析
• 6.6.1 夹杂物的尺寸对X 向应力的影响
• 6.6.2 夹杂物的尺寸对Y 向应力的影响
• 6.6.3 夹杂物的尺寸对Z 向应力的影响
• 6.6.4 压下方向应力云图分析
• 6.6.5 宽展方向应力云图分析
• 6.6.6 轧制方向应力云图分析
• 6.6.7 最大主应力云图的分析
• 6.6.8 整体断面应力云图分析
• 6.7 数值模拟结论与裂纹性缺陷的修复
• 6.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 导师简介
• 作者简介
• 学位论文数据集