材料计算机数值模拟.doc

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1、材料计算机数值模拟结课论文姓名：谭元标学号：S学院：材料科学与工程学院专业：材料学论文题目：计算机数值模拟在材料轧制过程中的应用授课老师：杨庆祥教授计算机数值模拟在材料轧制过程中的应用谭元标（燕山大学材料科学与工程学院，河北秦皇岛，）摘要近年来，数值模拟仿真技术以其高效、低成本的优势在钢铁工业中得到了广泛的应用。随着计算机水平的进步和发展，国内外许多学者开始用数值模拟的方法对线材轧制的过程进行研究。有限元模拟仿真技术已经被公认为是对材料变形过程、传热过程、产品质量和轧制力学参数等进行预测和开发新产品的一种非常有效的分析工具

2、。它具有成本低、开发周期短并能超前再现许多用物理模拟或实验难以进行的加工过程的特点。本文主要阐述了数值模拟法在轧制过程中的一些应用，包括数值模拟在摩擦力，轧制力，温度场，应力应变场等方面的应用。关键词：数值模拟；轧制；应用1.前沿材料轧制成形过程是一个同时包括几何非线性、材料非线性、边界非线性和热-力耦合等因素在内的复杂的变形过程，轧件的成形质量受到多种因素的影响，这就对成形控制带来很大困难。传统的轧制过程中，只能在提出初步设计方案的基础上,采用“试错法”经过大量的实验反复调试才能得到较为理想的产品。这样会延长产品的研制周

3、期，增加产品成本，并造成设备的提前报废，浪费大量的人力和物力。随着现代计算机科学的发展，有限元及有限差分方法应用越越广泛，通过建立适当的有限元理论模型，描述材料固态加工及热处理的物理过程。然后，采用有限元及有限差分法对这些物理过程的温度场、应力场、应变场、微观组织场等进行精确的定量数值模拟计算。只要通过少量的实验验证理论模型及数值模拟计算的准确性，就可以利用计算机对大量的实际轧制进行准确的数值模拟。这样就实现了基于计算机数值模拟的轧制过程。通过大量的计算机数值模拟计算，可以建立轧制工艺参数与轧制后性能的定量关系。这些数值模

4、拟计算结果可以用于优化材料轧制工艺参数。日本早在20世纪60年代起就开始对轧制过程进行仿真研究[1]。在我国近年来，数值模拟技术在中厚板轧制方面得到广泛应用，并且出现了大量的研究成果，不仅揭示轧制过程中板料内的应力、应变、温度分布规律和板料外部宏观几何形状的变化，而且能模拟辊系变形，进而达到控制板形的目的。FEM在1956年由Turner、Clought[2]等在解决飞机结构刚度问题时首次采用，Clought[3]在1960年首次采用了“有限元法”这一术语。FEM的基本思想是将连续的结构离散为有限个单元，并在每个单元中设定

5、有限个节点，将连续体看作只是在节点处相联接的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律，作为基本未知量，并在每一单元中假设一近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律，进而利用力学中的变分原理，建立用来求解节点未知量的有限元方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题。一经求解就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数。2.数值模拟在轧制中的应用2.1数值模拟对轧制过程中摩擦力的研究摩擦在塑性加工

6、中占有非常重要的地位，一直作为塑性加工中的一个重要组成部分。随着塑性成形技术的进步，轧制工艺与技术的不断成熟和轧制在现代化生产中占据的显著地位，轧制过程中的摩擦与润滑问题显得越来越重要。在轧制过程中，轧辊与板料的摩擦力成为轧件运动的主动力，即轧制过程是以摩擦力作为驱动力，在后滑移区轧件受到沿轧制方向正向的摩擦力，在前滑移区轧件受到沿轧制方向反向的摩擦力，且前者大于后者，使得板料能够通过与轧辊之间的摩擦力的作用完成轧制过程。张清泉[4]等通过数值模拟法对中厚板轧制过程进行了模拟，分析了摩擦力对轧制过程的影响。其结果表明:摩擦

7、力沿接触弧的变化规律比较复杂，它既不服从于简单的摩擦定律也不服从变形区内摩擦力为常值的粘着假设，它和金属的滑动是密切相关的。利用有限元模拟软件可以准确地对轧制过程进行模拟，也为深入研究中厚板轧制过程中的摩擦规律提供了工具。2.2数值模拟对温度场的研究轧制温度是中厚板轧制过程中的重要工艺参数之一，温度对轧件的塑性和变形力能参数的影响很大，而且轧制温度制度的优劣和执行情况对轧制产品的性能、厚度公差、变形抗力和板形好坏也有着极其重要的影响。一般情况下，随着温度的升高金属以及合金的屈服极限、强度极限、硬度等都会降低，因此轧制时温度

8、的研究对于整个轧制过程的研究有着举足轻重的作用。绝大多数中厚板厂都采用红外线测温仪对板料温度进行监测，但是测温仪只能测得板料表面温度，无法测得板料的内部温度。如想利用仪器设备得到板料内部的温度，目前可使用的方法是接触测量法[5]，即在板料内部放置热电偶。热电偶使用方法的复杂性限制了其使用范围。采用数值模