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《棒线材连轧过程轧件温度场的有限元解析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第5卷第2期塑性工程学报Vol.5No.21998年6月JOURNALOFPLASTICITYENGINEERINGJun.1998棒线材连轧过程轧件温度场的有限元解析李长生刘相华(东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室110006)王国栋姜正义钱平熊尚武摘要本文采用有限元方法对棒线材连轧过程轧件温度场进行了解析,解出了轧件横断面温度场并绘制了连轧过程中轧件温度变化曲线,可以看出变形区热传导作用对轧件表面温度有较大的影响,计算结果表明,在精轧机组之前设定值与轧件表面温度的计算值吻合,在进入精轧机组之后设定值更接近于轧件平均温度的计算值。关键词温度场有限元棒线材1前言随着
2、我国汽车工业的发展,对汽车部件国产化的要求越来越迫切,为了满足用户对尺寸精度和组织性能的需求,进而实现轧制过程温度的控制以及对轧件温度场的研究越来越重要。为了生产高品质汽车齿轮用钢,我国某厂从意大利引进了24架合金钢棒材全连轧生产线,就带有机组间加热、机组间穿水冷却、精轧后水冷、带保温罩的冷床等控温手段(见图1),为对有不同性能要求的多种合金钢实行控轧控冷提供了有利的硬件要求。但是,要制定出合理的轧制规程及控轧控冷工艺制度,还要求对轧件横断面的温度场及整个温降过程进行深入研[1,2]究。目前,对棒材连轧过程轧件温度场的研究见于文献,但是能够同时模拟温度变化规律和横断面温度场的
3、研究还未见报道。图1连轧生产线布置图1-加热炉;2-水除鳞;3-保温罩;4-保温辊道;5-感应加热;6,7,8-穿水冷却装置;9-冷床Fig.1Thearrangementofthebarcontinuousrollingmill.本文采用有限元方法对棒线材连轧过程温度场进行了解析,解出了轧件横断面温度场并绘制了连轧过程中轧件温度变化曲线,为实现温度控制和控轧控冷奠定了基础。国家95重点科技攻关项目(编号95-524-02-04)。80塑性工程学报第5卷2基本方程2.1热传导方程[3]由于塑性变形功转换成热导致轧件升温,因此需要利用含内热源的热传导方程TTT
4、Tkx+ky+kz+q=c(1)xxyyzzt式中q——内热源强度——密度c——比热ki——i方向材料导热系数假设kx=ky=kz=k,且k为常数,则:222TTTq1T2+2+2+=(2)xyzkt——导温系数,=k/c2.2初始条件和边界条件2.2.1初始条件Tt=0=T0(x,y),考虑到轧件在加热炉内经过均匀加热阶段,在本文计算中取轧件出加热炉的时刻为初始温度(t=0),取初始温度为均匀温度场。2.2.2边界条件1)对称面。假设几何对称面上温度分布也对称,故给出热通量Q,但Q=0;442)自由表面。考虑辐射放热符合Stef
5、an-Boltzan定律:Q=A(T-T∞)。2.2.3内热源处理考虑轧件在变形过程中变形热及轧件与轧辊接触面的摩擦生热,将两项作为内热源处理,由于并非全部转换成热,因此应同时考虑变形热和摩擦热的热效率,分别设为0.7和0.8。q=we+wf,we、wf分别为塑性变形功率和摩擦功率;we=1dV,wf=2vdS2.3温度场解析利用Euler-Lagrange方程,将微分方程(2)及其初始条件和边界条件等效表达为以下泛函求极值的问题2221TTTT12I=k++-2q-cTdV+h(T-T∞)dS2Vxyzt2S3(3)满足初始条
6、件和边界条件并使上式一阶变分为零的温度函数必为本问题的正确解,对于[4]非定常问题,利用如下求解温度场公式:11[KT]+[K3]{T}t=[K3]{T}t-△t+{p}(4)△t△tE(e)(e)式中[KT]——温度刚度矩阵,[KT]=∑[K1ij]+[K2ij]e=1E(e)[K3]——变温矩阵,[K3]=∑[K3ij]e=1第2期李长生等:棒线材连轧过程轧件温度场的有限元解析81E(e){p}=∑{[pi}e=1(e)pi=V(e)qNidV+S3(e)hT∞NidS(e)NiNjNiNjNiNjK1ij=V(e)k++dVxxyyzz(
7、e)K2ij=S3(e)hNiNjdS(e)K3ij=V(e)cNiNjdVNi,Nj——i,j方向的形函数e——单元号E——单元总数3解析方法与解析条件3.1单元划分[5]解析原理是热传导方程在给定边界条件、初始条件下,利用Euler-Lagrange方程等效地表达为求泛函的最小值问题。为了研究问题方便起见,同时不失真实性,对矩形、圆或椭圆由于对称性,只取1/4部分进行研究。1)矩形或方形件如图2a所示,采用四边形单元划分网格,单元数100个。2)圆形件或椭圆形如图2b、c所示,采用极坐标方法划
