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德国科研协会资助开发的型钢热轧有限元模型及其相关应用

 

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一.应用有限元模拟优化型钢孔型设计之技术介绍


1 德国科研协会资助开发的型钢热轧有限元模型内容简介

有限元模型可以是不需其它源程序的独立的软件包,也可以是基于现有源程序深开发的软件包。由于复杂断面型钢热轧的弹塑性模型极为复杂,因而独立的,从头开发的软件包常常有种种弱点,包括算法上的简化(比如非弹塑性)或数据输入界面不够强。此处所介绍的模型系基于MARC源程序深开发的软件包。此模型的开发历时6年,近10人参与,耗资约五十万美元,包括由本公司专家主持的5年(模型开发,模型验证,简化模型的提出及开发)和另一同事(现主持西马克的模型开发)一年的关于简化模型验证的工作。在此之后的十余年又作了进一步优化,包括与MARC公司的合作开发。见后续的模型开发过程部分。模型特点为建模细腻,优化程度高,精度高且运算速度快。

本模型技术软件包内容包括

  1. 一整套为MARC源程序准备的输入程序,采用弹塑性热力学模型,基于Lagrange算法(全方位模拟,而非局部的),包括如下各项的技术及数据细节。

  2. 一整套网格划分及优化技术。由于断面形状非常复杂,如何采用最佳设计的网格以提高精度及节省时间,具有很高的技术含量。此部分技术包括网格设计,网格初始划分,及运算过程中网格的再划分,等。此技术根据终轧形状,设计各道次网格及其优化,目的是对于同样的运算量可达到最佳的运算精确度。有些建模者从初始形状进行网格优化,甚至有的采用自动生成的网格,均不可取,因为这样达不到最佳效果。

  3. 物理性能参数,在高温时基本上都随温度变化。当然不同的纲种这些物理性能参数是不一样的。此软件包包括客户所轧的各个纲种在对应的温度范围的物理性能参数随温度的变化。数据的数量随客户所提具的纲种清单以及所在的温度范围而定。金通拥有完整的金属高温性能数据库;数据库内容为二十余年来在世界各地的数据收集以及材料性能的建模。

  4. 力学性能参数,比如流变应力,杨氏模量,波松比,等等。这些参数在高温时随温度变化,且各钢种的数据也不同。流变应力同时也与变形量,变型速度和晶粒尺寸等有关。

  5. 轧制边界条件的数据或预报模型。有限元建模之前,需要建立一整套模型以预报轧制过程边界条件,比如辊与金属间的热传递系数受一系列因素制约,在2500-12500W/m^2K之间变化。有冷却水时更复杂。即使在空气中,热传递系数也取决于与空气的相对速度,等等。这些都需要精确的模型来计算。

  6. 变形场内多道次轧制时温度处理。温度应为不均匀的,即使在第一道次,当钢从加热炉移动到轧辊时,其断面的温度已经不均匀。通常金属在高温区变形大,低温区变形小,当输入的温度场不准确时,断面形状就不对。

  7. 轧钢过程参数的定义与输入输出。有限元源程序诸如MARC,不涉及轧钢专用参数,比如道次压下率,轧制速度,轧制力与力矩,等等。这些轧钢专用参数必须在子程序中定义输入。然后计算的结果方可用MARC显示功能块(Post-Processor)显示并表述出来。还有一些参数,比如投射变形区形状等也可计算并显示出来。

  8. 高端功能:微观组织结构模拟。如果产品力学性能的均匀性存在问题,可使有限元计算并显示其内部微观组织结构参数的分布,比如再结晶的进行程度,晶粒大小随横断面的分布等等。这部分成果是本公司专家在摩根工作时所开发。

  9. 一整套协调的参数设置,以使得模型能够顺利运行并达到高的预报准确度。比如最佳网格尺寸以及相关的步长(Time Step)等等。这一块是初始建模时需要尝试次数最多的,也是极为繁杂的领域。有限元对热轧型钢的模拟工作难度极大。模型在各条件稍不协调时便中途终止运行。初始建模者常需要半年至一年方可使模型平稳运行到自然结束(而非事故中断)。

  10. 一系列优化及处理措施,可以做到既节省时间,又具高精确度。比如钢不在变形区的部分网格可以粗大一些。此处本公司有多项的优化措施,可根据用户的需要而提供。

  11. 输入模型参数的自动产生。有限元源程序比如MARC需要一个输入文件,包含所有的输入数据。通常用户在生成网格后,可以通过源程序的用户界面手工输入各种边界条件,材料参数并选定步长(Time Step)等。这些数据可以通过外界的软件包自动插入。外界软件包通过自己的用户界面和一系列数据库(如上所描述),可大大降低建模者的工作难度和工作量。

  12. 与孔型设计软件包的结合。如果把上述的外界软件包作为孔型设计软件包的一部分,则孔型设计与有限元模拟便连在一起了。这于是就发生了技术上的飞跃。此为本项目孔型设计软件包开发工作的起步。一系列优化措施,比如现代自动化控制软件的智能精华?自学优化等等,将要加入到此孔型设计软件包之中。

每个人的建模方式和经验各不相同,所得到的结果质量差异极大。模型若不准,则失去了指导意义,且会误导设计。此有限元模型软件包可使不具经验的建模者也能在短时间内获得很好的模拟结果,而且,此软件包可能与孔型设计软件接口而使得孔型设计水平有革命性的飞跃。

 

 

<待续>

 

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