一種超厚板坯多道次軋制工藝的數值模擬方法技術

本發明專利技術公開了一種超厚板坯多道次軋制工藝的數值模擬方法，包括：建立數值模擬系統；向數值模擬系統輸入邊界條件、材料參數、工藝參數和模擬控制參數；數值模擬超厚板坯經過各道次的軋制過程，其中：采用有限元法分步數值模擬板坯接觸上、下軋輥進入咬入非穩態變形軋制階段，采用Euler網格的有限體積法數值模擬板坯進入穩態變形軋制階段；數值模擬完成。本發明專利技術可對超厚板坯的整個軋制過程進行準確模擬，模擬精度高、模擬運算時間短，為制訂最優、合理的軋制工藝方案提供了可靠的數值依據。

A NUMERICAL SIMULATION METHOD FOR MULTIPLE ROLLING PROCESS OF ULTRATHICK SLAB

【技術實現步驟摘要】
一種超厚板坯多道次軋制工藝的數值模擬方法
本專利技術涉及一種超厚板坯多道次軋制工藝的數值模擬方法，屬于有色金屬加工工藝模擬

技術介紹
高強高韌鋁合金厚板是現代航空、航天、船舶制造及交通運輸等領域中極為重要的結構材料。熱軋是制造高強高韌鋁合金厚板工藝中最關鍵的工序，即變形手段。通過熱軋可實現板材的大變形，消除鑄造缺陷、細化晶粒，從而增強板材的整體性能。但是，由于受現有軋機開口度及坯料原始厚度的限制，同步軋制難以實現大厚度鋁合金板材的充分和均勻變形，造成軋板表面和中心的變形、組織和性能的不均一，產品殘余應力過高等問題，成為高強高韌鋁合金厚板制造技術中迫切需要解決的難題。試驗表明，錯位異步軋制可實現在不增加壓下量的前提下，增加被軋制板材的變形量，有利于增加軋板的中心變形，提高軋板變形和組織的均勻性。如圖1所示，錯位異步軋制工藝的原理是將異步軋機一側的慢速軋輥沿軋制傳送方向調整一錯位量S。由于在異步軋制過程中板坯上、下應變量不同，板坯會向慢速軋輥一側彎曲，將慢速軋輥向軋制傳送方向錯位，將會對板坯施加一個與板坯彎曲方向相反的作用力，從而有助于減小板坯的彎曲。與異步軋制相比，錯位異步軋制不僅具備異步軋制的優點，如降低軋制壓力、增加了剪切變形、提高軋制精度，同時還能克服異步軋制在厚板生產中板坯彎曲嚴重的難題。但是只進行單道次的錯位異步軋制，鋁合金厚板依然會出現彎曲的現象，因此，高強高韌鋁合金超厚板的制備必須經過多道次的熱軋過程，才能完全消除板坯的彎曲。軋制時的初軋溫度、壓下量、道次數量、停留時間、異速比等各個因素的改變都會導致板坯最終性能的變化。因此，制訂合理、最優的軋制工藝方案是必需的，但這需要清晰、準確地認識各個工藝參數對軋板成形性能有何影響，需要綜合衡量出多道次軋制過程中各個工藝參數對最終板坯質量的影響規律。而早期的軋制工藝制定中多采用試錯法，但試錯法具有實驗周期長，浪費人力和物力等諸多缺點。通過數值模擬方法可以快速地對軋制過程進行仿真分析，預測不同軋制工藝下的軋制質量，為工藝優化提供詳盡的參考數據，成為金屬軋制研究及工藝優化最有力的工具。但是由于錯位異步軋制變形過程復雜且屬于塑性大變形過程，采用傳統的有限元法模擬多道次錯位異步過程，計算耗時較長、模擬精度低，急需發展新的數值模擬技術。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種超厚板坯多道次軋制工藝的數值模擬方法，其可對超厚板坯的整個軋制過程進行準確模擬，模擬精度高、模擬運算時間短，為制訂最優、合理的軋制工藝方案提供了可靠的數值依據。為了實現上述目的，本專利技術采用了以下技術方案：一種超厚板坯多道次軋制工藝的數值模擬方法，其特征在于，它包括步驟：1)建立數值模擬系統，數值模擬系統包括傳熱模型、材料模型、摩擦模型、本構方程、組織演變模型，以及采用CAD軟件建立的上、下軋輥和超厚板坯的幾何模型；2)向數值模擬系統輸入邊界條件、材料參數、工藝參數；3)數值模擬超厚板坯經過第N道次的軋制過程：3-1)基于數值模擬系統，采用有限元法分步數值模擬板坯接觸上、下軋輥進入咬入非穩態變形軋制階段；3-2)基于插值公式實現有限元法模擬向有限體積法模擬轉換的各物理場量數據的傳遞；3-3)基于數值模擬系統，采用Euler網格的有限體積法數值模擬板坯進入穩態變形軋制階段；3-4)基于插值公式實現有限體積法模擬向有限元法模擬轉換的各物理場量數據的傳遞；4)N增加1，重復執行3)，直至板坯經過所有道次全部軋制完畢，進入5)；5)數值模擬完成，獲得的數值模擬結果包括傳熱模型輸出的軋板溫度場分布情況、材料模型與本構方程、摩擦模型相結合輸出的應力應變場分布情況、組織演變模型輸出的錯位異步軋制過程中的再結晶分布情況；其中：N從1開始，道次數量大于等于8。本專利技術的優點是：1、本專利技術數值模擬方法可對超厚板坯的整個軋制過程進行準確模擬，具有模擬精度高、模擬運算時間短的優點，為制訂最優、合理的軋制工藝方案提供了可靠的數值依據。2、基于本專利技術數值模擬方法對超厚板坯實施熱軋工藝，可以有效確保板坯發生大變形來消除板坯的鑄造缺陷、細化晶粒，增強板坯的整體性能。本專利技術特別適用于高強高韌鋁合金超厚板坯軋制工藝的數值模擬。3、本專利技術在多道次軋制工藝中，基于數值模擬系統，在板坯接觸上下軋輥進入咬入非穩態變形軋制階段中采用有限元法進行分步數值模擬，在板坯進入穩態變形軋制階段中采用有限體積法進行數值模擬，充分利用了兩種幾何模型各自的優勢，其中，在咬入非穩態變形軋制階段，本專利技術基于有限元法實行分步模擬，將一個復雜的大變形過程分為幾個相對簡單的小變形過程，解決了有限元法塑性大變形過程無法回避的網格頻繁重劃分引起體積和精度損失的難題。4、本專利技術通過網格節點的插值技術實現了有限元法與有限體積法模擬之間各種物理場量數據的準確傳遞。附圖說明圖1是現有錯位異步軋制工藝的原理說明圖。圖2是本專利技術數值模擬方法的實現流程圖。具體實施方式如圖2，本專利技術超厚板坯多道次軋制工藝的數值模擬方法包括步驟：1)建立數值模擬系統，數值模擬系統包括傳熱模型、材料模型、摩擦模型、本構方程、組織演變模型，以及采用CAD軟件建立的上、下軋輥20、30和超厚板坯10的幾何模型；2)向數值模擬系統輸入邊界條件、材料參數、工藝參數；3)數值模擬超厚板坯10經過第N道次的軋制過程：3-1)基于數值模擬系統，采用有限元法(公知算法)分步數值模擬板坯10接觸上、下軋輥20、30進入咬入非穩態變形軋制階段；3-2)基于插值公式實現有限元法模擬向有限體積法模擬轉換的各物理場量數據的傳遞；3-3)基于數值模擬系統，采用Euler網格的有限體積法(公知算法)數值模擬板坯10進入穩態變形軋制階段；3-4)基于插值公式實現有限體積法模擬向有限元法模擬轉換的各物理場量數據的傳遞；4)N增加1，重復執行3)，直至板坯10經過所有道次全部軋制完畢，進入5)；5)數值模擬完成，獲得的數值模擬結果包括傳熱模型輸出的軋板溫度場分布情況、材料模型與本構方程、摩擦模型相結合輸出的應力應變場分布情況、組織演變模型輸出的錯位異步軋制過程中的再結晶分布情況；其中：N從1開始，N＝1，2，3，……，N為正整數，道次數量大于等于8。在本專利技術中，傳熱模型包括對流傳熱、輻射傳熱和接觸傳熱。對流傳熱中對板坯的上、下表面施加不同的對流傳熱系數。輻射傳熱的輻射率根據在軋制線上的測量結果對不同軋制階段施加不同的值。接觸傳熱采用Hlady實驗建立的經驗公式，考慮上、下軋輥的熱傳導系數和軋制壓力確定對接觸換熱系數的影響。在本專利技術中，材料模型是根據相應型號板坯材料(如鋁合金)在不同溫度下的密度、熱導率、比熱容、線膨脹系數、彈性模量等參數(從相關手冊獲得)建立起來的模型。在本專利技術中，本構方程(又稱流變應力方程)采用Sellars等人提出的雙曲正弦函數來描述通過不同溫度、應變速率下的單道次等溫壓縮實驗結果回歸出函數中的常數，從而建立板坯材料(如鋁合金)的流變應力模型。在本專利技術中，摩擦模型是將熱軋過程中的摩擦采用反正切函數修正的剪切摩擦模型來描述。在本專利技術中，組織演變模型采用溫度補償的Avrami方程來描述板坯材料在錯位異步軋制過程發生再結晶的動力學轉變。組織演變模型通常通過等溫雙道次間隔熱壓縮實驗，計算出不同溫度條件下板坯材料本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種超厚板坯多道次軋制工藝的數值模擬方法，其特征在于，它包括步驟：1)建立數值模擬系統，數值模擬系統包括傳熱模型、材料模型、摩擦模型、本構方程、組織演變模型，以及采用CAD軟件建立的上、下軋輥和超厚板坯的幾何模型；2)向數值模擬系統輸入邊界條件、材料參數、工藝參數；3)數值模擬超厚板坯經過第N道次的軋制過程：3?1)基于數值模擬系統，采用有限元法分步數值模擬板坯接觸上、下軋輥進入咬入非穩態變形軋制階段；3?2)基于插值公式實現有限元法模擬向有限體積法模擬轉換的各物理場量數據的傳遞；3?3)基于數值模擬系統，采用Euler網格的有限體積法數值模擬板坯進入穩態變形軋制階段；3?4)基于插值公式實現有限體積法模擬向有限元法模擬轉換的各物理場量數據的傳遞；4)N增加1，重復執行3)，直至板坯經過所有道次全部軋制完畢，進入5)；5)數值模擬完成，獲得的數值模擬結果包括傳熱模型輸出的軋板溫度場分布情況、材料模型與本構方程、摩擦模型相結合輸出的應力應變場分布情況、組織演變模型輸出的錯位異步軋制過程中的再結晶分布情況；其中：N從1開始，道次數量大于等于8。

【技術特征摘要】
1.一種超厚板坯多道次軋制工藝的數值模擬方法，其特征在于，它包括步驟：1)建立數值模擬系統，數值模擬系統包括傳熱模型、材料模型、摩擦模型、本構方程、組織演變模型，以及采用CAD軟件建立的上、下軋輥和超厚板坯的幾何模型；2)向數值模擬系統輸入邊界條件、材料參數、工藝參數；3)數值模擬超厚板坯經過第N道次的軋制過程：3-1)基于數值模擬系統，采用有限元法分步數值模擬板坯接觸上、下軋輥進入咬入非穩態變形軋制階段；3-2)基于插值公式實現有限元法模擬向有限體積法模擬轉換的各物理場量數據的傳遞；3-3)基于數值模擬系統，采用Euler網格的有限體積法數值模擬板坯進入穩態變形軋制階段；3-4)基于插值公式實現有限體積法模擬向有限元法模擬轉換的各物理場量數據的傳遞；4)N增加1，重復執行3)，直至板坯經過所有道次全部軋制完畢，進入5)；5)數值模擬完成，獲得的數值模擬結果包括傳熱模型輸出的軋板溫度場分布情況、材料模型與本構方程、摩擦模型相結合輸出的應力應變場分布情況、組織演變模型輸出的錯位異步軋制過程中的再結晶分布情況；其中：N從1開始，道次數量大于等于8。2.如權利要求1所述的超厚板坯多道次軋制工藝的數值模擬方法，其特征在于：在所述步驟2)中：所述邊界條件包括所述板坯的厚度和長度、所述板坯的壓下量、軋制初始加熱溫度；所述材料參數包括板坯材料的型號、強度、硬度、彈性模量；所述工藝參數包括道次數量、板坯傳送速度、上、下軋輥間的錯位量和異速比。3.如權利要求1所述的超厚板坯多道次軋制工藝的數值模擬方法，其特征在于：所述咬入非穩態變形軋制階段分為若干步進行模擬：A)設定初始有限元網格及其邊長，和所述板坯的初始步長，將所述板坯、所述上、下軋輥的幾何模型用初始有限元網格劃分，其中，初始有限元網格為邊長相等的四面體網格；B)所述板坯傳送進行軋制，軋制過程中若有限元網格發生畸變，則此步模擬停止；C)根據板坯變形程度，重新給出板坯對應幾何模型的有限元網格的新邊長，和...

【專利技術屬性】
技術研發人員：程磊，黃國杰，肖偉，王建偉，
申請(專利權)人：北京有色金屬研究總院，
類型：發明
國別省市：北京,11