有限元模拟在材料加工中的应用

有限元模拟在材料加工中的应用

1 有限元法应用的理论和方法

1.1应用理论

有限元分析是把一个连续的、具有无限多自由度的整体划分成有限个自由度的单元集合体,通过对单元求解实现对整个连续体数值逼近,是伴随着计算机的发展而产生的一种有效的数值计算方法,广泛应用于冶金、机械、航空、国防等领域。在钢铁轧制变形过程中应用有限元分析,不仅能得出金属塑性变形的规律,而且还能得出金属的应力、应变分布规律,是研究金属轧制过程的一种有效方法。

随着数值分析方法的逐步完善，尤其是计算机运算速度的飞速发展，整个计算系统用于求解运算的时间越来越少，而准备数值模型和处理计算结果的时间占整个分析工程的比例越来越高。

1.2有限元法的基本思路

有限元法的基本思路可以归结为：将连续系统分割成有限个分区或单元，对每个单元提出一个近似解，再将所有单元按标准方法加以组合，从而形成原有系统的一个数值近似系统，也就是形成相应的数值模型。

2 有限元法在材料加工中的实例分析

2.1降低H型钢残余热应力的三维有限元仿真分析

背景

近年来,随着我国社会经济建设的快速发展和国内钢结构市场的蓬勃兴起,环境保护的法律法规逐步健全, H型钢作为一种经济断面型钢,已经被广泛地应用于国民经济建设的各个领域[1]。国内H型钢的需求量正日益增加,特别是大型H型钢生产线在最近几年已建成多条。随着对H型钢研究的不断深入,残余应力的问题相应的突出出来。特别是大型、小腰腿厚度比的H型钢。H型钢断面复杂,钢材断面特别是腰厚与腿厚不一致,轧制过程中由于受自身与外界环境的热交换等因素的影响,其温度分布很不均匀。在冷却过程中腰部由于比翼缘薄会先冷却,而翼缘部分冷却较慢。在温度差的作用下,在钢材内部形成很大的热应力,严重时会造成腰部或腿部波浪、钢材纵向弯曲等现象。

相应的控制热轧大型H型钢残余应力的研究正在逐步展开。目前国内对H型钢残余应力的研究主要是从变形不均匀的角度出发,往往忽视了温度不均匀导致的残余热应力部分[2]。本仿真分析的目的是研究温度不均匀对H型钢残余热应力分布的的影响。分析方法是设计不同的冷却途径，得到不同的温度分布，从而分析不同温度分布的轧件残余热应力的大小和分布情况。

分析过程

由于轧后H型钢断面的温度分布无法通过测量的方法直接得到,在此为保证H型钢断面温度分布的准确性,首先需要完成H型钢全轧程的热力耦合仿真分析,利用在终轧温度仿真计算结果完成H型钢残余热应力的仿真分析。具体的仿真分析包括对轧件断面温度场、

轧件几何形状、应力状态、刚度等几方面进行最理想且利于分析的假设。仿真完成后，设计计算流程、确定边界条件以及定义必要的结构参数。

此分析中设计了三种情况：

1．轧后H型钢空冷过程残余应力

2．轧后H型钢翼缘外侧强制冷却对残余应力

3．终轧H型钢断面温度分布情况对残余应力的影响

情况1相当于空白试验，只计算空冷1000s，结果：H型钢空冷后的残余热应力分布复杂,其中在轧件长度方向上, H型钢腹板部位整体表现为压应力,翼缘与腹板的连接部位表现为拉应力状态,同时翼缘端部表现为压应力状态;就整个轧件而言,由于受到轧件头尾自由端的影响,在沿长度方向的残余应力分布并非均匀。

情况2对轧件的翼缘外侧利用强制冷却8 s，然后计算空冷1000s。情况2中还有内部的对比，就是冷却强度的对比。结果：强制冷却8 s,由于翼缘外侧温降,该部位金属收缩,而受内侧金属的限制,这时候表现出来的是:翼缘外侧为较强的拉应力状态,而翼缘内侧及腹板表现出来的是较强的压应力状态。强制冷却后进入空冷10 000 s的计算结果,经过强制冷却后H型钢残余应力分布发生变化,特别是翼缘部位的残余应力在厚度方向上分布明显不均,整个断面的残余拉应力峰值仍旧出现在H型钢的腿腰连接部位,而压应力峰值出现转移,最大压应力由腹板中心转移到翼缘外侧,即强制冷却部位。同时经其强制冷却后的翼缘厚度方向的应力分布出现不均匀现象,产生外侧受残余压应力,内侧受残余拉应力;当冷却强度越大,一定时间内的温降越明显,最终的残余压应力影响区域在翼缘厚度方向上将会扩大。

情况3通过将断面最大温差减小50℃与100℃的两种情况分别进行计算,以研究终轧断面温度分布对残余应力的影响。

结论：

(1)通过对轧后H型钢翼缘外侧的强制冷却,可以改变H型钢长度方向上的残余应力在H型钢断面的分布状态,同时可以降低因轧后断面温差导致的H型钢腹板残余压应力;

(2)通过改善H型钢轧后断面温度分布,H型钢轧后残余应力得到改善,其中残余拉、压两个状态的应力值均可以降低。

3总结

本实例分析中，借助于LS-DYNA仿真软件,在H型钢轧制全程的热力耦合仿真分析结果的基础上,完成了对轧后H型钢翼缘外侧强制冷却及改善终轧H型钢断面温度分布情况下的H型钢残余热应力状态的三维热力耦合仿真分析。针对述及的热轧H型钢产品,根据仿真结果分析得到:采用轧后强制冷降翼缘外侧的方法,可改变H型钢断面残余应力的分布状态,降低H型钢腹板部位的压应力;同时,可改善H型钢终轧断面的温度分布,降低终轧断面温差,使轧后H型钢残余应力得到改善,其中残余拉、压状态的应力值均可降低。

分析过程中首先需要完成的是H型钢全轧程的热力耦合仿真分析。热力耦合仿真分析在有限元中是很重要的，因为在塑性加工过程中，工件在产生塑性变形的过程中往往伴

随着温度的变化，准确分析这些加工过程的温度和应力变化不应将温度场和应力场分开来分析。因为除了温度变化对结构变形和材料性质产生影响之外，结构变形和性质的变化反过来也会改变热边界条件，进而对温度场的分布产生影响，也就是说温度和位移两种不同的场之间存在着很强的相互作用。为了解决此问题，就需要将温度和位移两种不同场同时进行分析，考虑它们之间的耦合作用。MARK既可以计算过程中的温度效应，也可以计算由于工件变形而造成的温度场变化的效应[3]。

4参考文献

[1]李庆中.中国国内H型钢市场分析[J].钢结构, 2006，21(1):94.

[2]朱国明,康永林,陈伟等.降低H型钢残余热应力的三维有限元仿真分析[J].轧钢,2007,24(4):22-25.

[3]刘劲松,张士宏，肖寒等.MSC.MARC在材料加工工程中的应用[M].北京：中国水冷利水电出版社,2010.39.