D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1999.05.046 第21卷第5期 北京科技大学学报 Vol.21 No.5 1999年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1999 角钢成形过程三维有限元热力耦合模拟 阎军) 鹿守理” 陈希克) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)马钢钢铁股份有限公司，马鞍山 摘要应用MARC/autoforge商用有限元程序，采用大变形弹塑性有限元方法对角钢的轧制 过程进行了三维有限元热力耦合模拟.对模拟过程中涉及到的变形、温度场和宽展等进行了分 析和探讨，重点分析了角钢异形孔中轧件的变形和应力分布，数值模拟的结果和现场实际轧制 的情况进行了对比，结果证明数值模拟结果与实际轧制情况相符合， 关键词角钢：三维变形：数值模拟 分类号TG335.4 目前采用有限元方法对三维热轧问题的研 到硬件的能力和计算成本的原则，在不同的孔 究还很不深入，文献[1~4]的共同特点是在轧件 型中单元数分别取2200-2800个， 的横断面上采用有限元分析，而在轧制方向采 材料的热物性参数取自MARC/Autoforge材 用简化分析，这种简化假设与实际是不符的：此 料库，所选钢种成分与模拟的实际钢种Q235基 外假设等温变形也会造成很大的误差.因此，本 本一致.将型钢的热变形时的轧辊视为恒温刚 文应用三维有限元方法，同时考虑温度场的不 性体， 均匀分布，采用热力耦合的方式模拟型钢的变 边界条件包括接触面上的摩擦边界条件和 形更能揭示变形过程的实质. 传热边界条件，接触面上的摩擦采用库仑摩擦 规律，根据不同的轧制条件，摩擦因数可取 1有限元模拟计算中关键问题的处 0.3-0.4.轧件的自由表面存在与周围环境的对 理 流和辐射换热，轧件与轧辊接触时存在接触传 热.前两类边界条件在传热学中称为第三类边 型钢三维变形模拟中涉及到的关键问题主 界条件，可统一写为下式. 要包括有限元网格的布局、边界条件的确定、初 始接触点的计算、时间步长的选取和主要力学 g-(别）a-) (1) 模型的确定等， 式中：t为轧件表面温度：t.为环境温度：a为换热 1.1有限元模型和边界条件 系数.换热系数α可写成对流换热系数h与等效 角钢变形由于其对称性，可取1/2断面进行 辐射换热系数h之和.与环境的对流换热系数， 网格划分，由于异型孔形状复杂，且存在许多较 根据文献[5]并结合现场条件，一般为0.01~ 小的圆角半径，不同区域变形的剧烈程度也不 0.1kW/mK,本文取0.03kWmK.与环境之间的 同，在进行网格划分时，曲率变化较大的地方划 辐射换热系数可根据辐射定律，并转换成(1)式 分较细的网格，这样才能更好地逼近轧件的形 的形式，可得等效辐射换热系数为： 状，因而，单元的数目较多.根据轧件长度和断 h,=oe(+t.)(+t) (2) 面上单元尺寸的平均值确定单元数目，轧件长 式中：σ为波尔兹曼常数5.67×10-WmK:e为 度的选取应考虑到在长度方向应有一段稳定的 材料热辐射率，本文取-0.8.由(2)式可知，等效 变形区域，可取轧制平均接触弧长的3倍左右. 辐射换热系数与温度有关，因而辐射边界条件 按照计算的精度取决于网格的疏密，同时考虑 是非线性的， 轧辊与轧件之间的接触热传导一般用接触 1999-03-29收稿阁军男，43岁，博士生 热传导系数h来简化处理2个固体之间的接触第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 一 一 角钢 成形 过 程 三 维 有 限 元 热 力祸 合模 拟 阎 军 ‘， 鹿 守理 ” 陈希克 ” 北京科技大学材料科学与工 程 学院 ， 北 京 马钢钢 铁股份有 限公 司 ， 马鞍 山 摘 要 应用 商用 有 限元程 序 ， 采用 大变形 弹 塑性有限元方法对角钢 的轧制 过程进行 了三 维有限元热力祸合 模拟 对 模拟 过程 中涉及 到 的变 形 、 温度场和 宽展等进行 了分 析和探讨 ， 重 点分析 了角钢 异 形孔 中轧件 的变形和 应 力 分布 数值模拟 的结果和 现场 实际轧制 的情况进行 了对 比 ， 结果证 明数值模拟 结果 与实际轧制情况相 符合 关键词 角钢 三维变形 数值模拟 分 类号 目前采用有 限元方法对三 维热轧 问题 的研 究还 很不深入 ， 文献【 一 的共 同特 点是 在 轧件 的横断面上采用有 限元 分析 ， 而 在轧 制方 向采 用 简化分析 ， 这种简化假设与实际是不 符 的 此 外假设等温变形也会造成很大 的误 差 因此 ， 本 文应用三维有 限元 方法 ， 同时考虑温度场 的不 均匀分布 ， 采用 热力祸合 的方式模拟 型钢 的变 形 更 能揭示变形过程 的实质 有限元模拟计算中关键 问题 的处 理 型钢 三 维变形模拟 中涉及 到 的关键 问题 主 要包括有 限元 网格 的布局 、 边界条件的确 定 、 初 始接触 点的计算 、 时 间步长 的选 取和 主 要 力 学 模型 的确定等 有 限 元模型和 边界 条件 角钢变形 由于其对称性 ， 可 取 断面进行 网格划分 由于异型孔形状复杂 ， 且存在许 多较 小 的圆角半径 ， 不 同区 域变形 的剧烈 程 度 也不 同 ， 在进行 网格划分 时 ， 曲率变化较大 的地方划 分较细 的网格 ， 这样才能更 好地逼近轧件 的形 状 ， 因而 ， 单元 的数 目较 多 根据 轧件 长 度和 断 面 上 单元尺 寸 的平 均值确 定单元数 目 ， 轧 件长 度 的选取应考虑 到在长度方 向应 有一 段稳定 的 变 形 区 域 ， 可 取轧制平 均接触弧 长 的 倍左 右 按照 计算 的精度取 决于 网格 的疏密 ， 同时考虑 一 一 收稿 阎 军 男 ， 岁 ， 博 士 生 到硬 件 的能力和 计 算成本 的原 则 ， 在 不 同 的孔 型 中单元数分别取 一 个 材料 的热物性参数取 自 材 料库 所选钢 种成分 与模拟 的实 际钢 种 基 本 一 致 将 型 钢 的热 变形 时 的轧辊视 为恒温 刚 性 体 边 界条件包 括接触面 上 的摩擦边界 条件和 传 热 边 界 条件 接触 面上 的摩擦采用 库仑摩擦 规 律 根 据 不 同 的轧 制条件 ， 摩 擦 因 数 可 取 一 轧件 的 自由表面存在与周 围环 境 的对 流 和 辐 射 换热 ， 轧件 与轧 辊接触 时存 在 接触传 热 前两 类边 界 条件在传热学 中称 为第三类边 界 条件 ， 可 统 一 写 为 下 式 ， 了 刁 、 一只 云 一 ‘一 ‘ 二 ‘ 式 中 为 轧件表面温度 二 为环 境温度 为换热 系 数 换热 系数 可 写 成 对流换热 系数 与等 效 辐 射换热系数 之和 与环境 的对 流换热系数 ， 根 据 文 献 并结合现场 条件 ， 一 般 为 ， ， 本文取 ， 与环境之 间 的 辐 射 换热 系数 可根据辐射定律 ， 并转换成 式 的形 式 ， 可 得 等效辐 射 换热 系数为 ‘ 尹 几 式 中 。 为波 尔 兹 曼 常 数 一 吕 一 。 为 材料热辐 射率 ， 本文 取 由 式可 知 ， 等效 辐 射换热 系数 与温度 有关 ， 因而辐射边界 条件 是 非线性 的 轧辊 与轧件之 间 的接触热传导 一 般用接触 热传 导 系数 来 简化 处 理 个 固体之 间 的接触 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1999．05．046