搜索連鑄板坯應(yīng)力應(yīng)變場的二維/三維有限元分析
2013-06-09 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
以某鋼廠四號板坯連鑄機(jī)為研究對象,應(yīng)用商業(yè)有限元軟件MSC. Marc 2005r2,并基于二維模型和三維模型兩種建模思路對連鑄板坯的應(yīng)力應(yīng)變場進(jìn)行了仿真分析,獲得了板坯表面及內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的詳細(xì)分布情況,仿真結(jié)果表明,板坯局部的應(yīng)力應(yīng)變值隨著拉坯速度的增加而相應(yīng)增大,且在二維模型和三維模型兩種條件下獲得的計(jì)算結(jié)果趨于一致,從理論上說明,在實(shí)際的板坯連鑄工程中完全可以采用二維有限元分析方法來指導(dǎo)設(shè)計(jì),以有效簡化設(shè)計(jì)難度及提高設(shè)計(jì)效率。
作者: 馮科* 韓志偉 來源: e-works
關(guān)鍵字: 連鑄板坯 應(yīng)力應(yīng)變 二維/三維模型 有限元法
板坯連鑄澆鑄過程中,凝固坯殼將受到多種應(yīng)力作用[1],包括:凝固坯殼與結(jié)晶器之間的摩擦引起的應(yīng)力、鋼水靜壓力引起的應(yīng)力、凝固坯殼彎曲引起的應(yīng)力以及鑄坯中心與表面之間溫度差引起的熱應(yīng)力等。在以上所述熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的共同作用下,鑄坯中將形成相應(yīng)的應(yīng)變分布,其為板坯裂紋缺陷形成有主要根源。在板坯連鑄機(jī)的工程設(shè)計(jì)中,必須全面考慮各種工藝參數(shù)條件下相應(yīng)的鑄坯應(yīng)力應(yīng)變分布情況,以確保獲得良好的鑄坯質(zhì)量。
針對連鑄板坯應(yīng)力應(yīng)變分布的準(zhǔn)確預(yù)測,有限元分析是一種相當(dāng)實(shí)用且有效的理論方法,應(yīng)用有限元軟件可以較為方便地獲得豐富的直觀的熱、力學(xué)仿真結(jié)果,為板坯內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生提供可靠的判斷依據(jù),為板坯連鑄工程設(shè)計(jì)提供重要的理論指導(dǎo)。
1 分析對象描述
本文以商業(yè)有限元軟件MSC. Marc 2005r2為仿真平臺,針對某鋼廠四號板坯連鑄機(jī)從結(jié)晶器至扇形段末輥間的連鑄板坯,根據(jù)該臺連鑄機(jī)的具體條件(夾輥排列、噴嘴排列和噴嘴特性),并在考慮鋼種熱物性參數(shù)(密度、比熱、熱膨脹系數(shù)、彈性模量等)隨溫度變化的關(guān)系及二冷區(qū)存在著的多種傳熱模式(水沖擊傳熱、輻射傳熱、夾輥傳熱和水聚集蒸發(fā)傳熱)下,分別進(jìn)行了二維和三維板坯傳熱、應(yīng)力應(yīng)變耦合求解分析,且仿真對象的基本情況簡要描述如下。
·板坯規(guī)格:250mm(厚) × 1800mm(寬)
·澆鑄鋼種:Q345
·拉坯速度:1.0m/min、1.2m/min
·冷卻制度:中冷方案
·二次冷卻:9個(gè)冷卻區(qū)、16個(gè)控制回路
·鑄機(jī)輥列:參見圖1
2 二維建模仿真
以從結(jié)晶器彎月面至鑄機(jī)尾部末輥之間的連鑄板坯中心縱斷面為對象空間(不考慮鑄坯寬度方向上的傳熱和應(yīng)變),基于MSC. Marc 2005r2平臺建立了板坯/夾輥接觸模型,其中考慮了鋼水靜壓力作用及熱力耦合效應(yīng)。模型采用四節(jié)點(diǎn)四邊形單元(QUAD 4)對計(jì)算域空間進(jìn)行了網(wǎng)格離散劃分,單元數(shù)共計(jì)8591個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)共計(jì)9384個(gè),在板坯與夾輥之間共建立了108對接觸關(guān)系。
應(yīng)力應(yīng)變模型邊界條件的設(shè)置考慮了鋼水靜壓力、鑄坯溫度場和結(jié)晶器入口水平位移約束,詳細(xì)情況參見圖2。
通過有限元仿真分析,可以獲得鑄機(jī)不同位置處對應(yīng)的板坯應(yīng)力應(yīng)變分布情況,且具有代表性的結(jié)果包括彎曲區(qū)等效應(yīng)力、矯直區(qū)等效應(yīng)力、彎曲區(qū)等效應(yīng)變(彈性和塑性)、矯直區(qū)等效應(yīng)變(彈性和塑性)及沿拉坯方向上內(nèi)/外弧表面應(yīng)力分布曲線等,限于篇幅,此處將僅給出矯直區(qū)等效應(yīng)力、等效彈性應(yīng)變的云圖以及兩種拉坯速度條件下相應(yīng)的板坯內(nèi)弧表面應(yīng)力分布曲線,分別如圖3~5所示。
從圖中可知,矯直區(qū)板坯對應(yīng)的最大等效應(yīng)力和最大等效彈性應(yīng)變分別約為15.09MPa和1.356e-3沿拉坯方向上板坯內(nèi)弧表面應(yīng)力總體上呈現(xiàn)出上升趨勢,且板坯應(yīng)力(應(yīng)變)隨著拉坯速度的增加而顯著增大。
3 三維建模仿真
為進(jìn)一步提高連鑄板坯應(yīng)力應(yīng)變場有限元仿真的求解精度,本文基于同樣的研究對象和邊界條件處理方法建立了板坯三維傳熱-應(yīng)力應(yīng)變耦合模型。較之二維模型,三維模型考慮了板坯寬度方向上的傳熱和應(yīng)力應(yīng)變效果,其計(jì)算域空間取為結(jié)晶器彎月面至鑄機(jī)尾部末輥之間的整個(gè)連鑄板坯,顯然此時(shí)問題復(fù)雜性有較大程度的增加(從空間離散、邊界條件加載和多場耦合求解等角度看)。模型中采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元(HEX 8)對計(jì)算域空間進(jìn)行了網(wǎng)格離散劃分,單元數(shù)共計(jì)42955個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)共計(jì)56304個(gè),在板坯與夾棍之間共建立了108對接觸關(guān)節(jié),模型空間的詳細(xì)情況如圖6所示。
通過有限元仿真可以獲得與二維模型大致相同的數(shù)據(jù)結(jié)果,為便于對比分析,此處也給出了矯直區(qū)板坯相應(yīng)和等效應(yīng)力和等效彈性應(yīng)變分布,如圖7~8所示。
從圖中不難看出,三維模型力學(xué)計(jì)算結(jié)果與二維模型力學(xué)計(jì)算結(jié)果基本趨勢一致,但由于前者在寬度方向溫度分布有變化,因此三維模型仿真求解獲得的應(yīng)力值較之二維模型相對略大一些,而應(yīng)變值則相對略小一些,且對于相同的板坯位置來說,兩者之間的差異并不十分明顯,說明在板坯連鑄機(jī)工程的實(shí)際設(shè)計(jì)過程中完全可以采用二維模型來快速指導(dǎo)方案的設(shè)計(jì),最后以三維模型來予以校對。
4 結(jié)論
本文基于MSC. Marc 2005r2平臺,針對連鑄板坯的應(yīng)力應(yīng)變場進(jìn)行了二維和三維有限元仿真分析,獲得了對應(yīng)于兩種建模思路的數(shù)據(jù)結(jié)果,包括鑄機(jī)不同位置處板坯的等效應(yīng)力、等效彈性應(yīng)變和等效塑性應(yīng)變以及板坯內(nèi)外弧表面應(yīng)力沿拉坯方向上的分布等,這些力學(xué)信息對于板坯連鑄機(jī)工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。仿真結(jié)果同時(shí)表明,板坯應(yīng)力應(yīng)變情況隨著拉坯速度的增加而加劇,且二維模型求解獲得的應(yīng)力值較之三維模型要略小一些,而應(yīng)變值則要略大一些,但兩者之間的差異并不顯著,從提高計(jì)算效率和降低建模難度兩方面來看,在板坯連鑄機(jī)的實(shí)際工程設(shè)計(jì)中完全可以采用二維模型來作為分析平臺。
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