搜索連鑄板坯應力應變場的二維/三維有限元分析
2013-06-09 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
以某鋼廠四號板坯連鑄機為研究對象,應用商業(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力應變場進行了仿真分析,獲得了板坯表面及內部應力應變的詳細分布情況,仿真結果表明,板坯局部的應力應變值隨著拉坯速度的增加而相應增大,且在二維模型和三維模型兩種條件下獲得的計算結果趨于一致,從理論上說明,在實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設計,以有效簡化設計難度及提高設計效率。
作者: 馮科* 韓志偉 來源: e-works
關鍵字: 連鑄板坯 應力應變 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力作用[1],包括:凝固坯殼與結晶器之間的摩擦引起的應力、鋼水靜壓力引起的應力、凝固坯殼彎曲引起的應力以及鑄坯中心與表面之間溫度差引起的熱應力等。在以上所述熱應力和機械應力的共同作用下,鑄坯中將形成相應的應變分布,其為板坯裂紋缺陷形成有主要根源。在板坯連鑄機的工程設計中,必須全面考慮各種工藝參數條件下相應的鑄坯應力應變分布情況,以確保獲得良好的鑄坯質量。
針對連鑄板坯應力應變分布的準確預測,有限元分析是一種相當實用且有效的理論方法,應用有限元軟件可以較為方便地獲得豐富的直觀的熱、力學仿真結果,為板坯內部裂紋的產生提供可靠的判斷依據,為板坯連鑄工程設計提供重要的理論指導。
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從結晶器至扇形段末輥間的連鑄板坯,根據該臺連鑄機的具體條件(夾輥排列、噴嘴排列和噴嘴特性),并在考慮鋼種熱物性參數(密度、比熱、熱膨脹系數、彈性模量等)隨溫度變化的關系及二冷區(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,分別進行了二維和三維板坯傳熱、應力應變耦合求解分析,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個冷卻區(qū)、16個控制回路
·鑄機輥列:參見圖1
2 二維建模仿真
以從結晶器彎月面至鑄機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。模型采用四節(jié)點四邊形單元(QUAD 4)對計算域空間進行了網格離散劃分,單元數共計8591個,節(jié)點數共計9384個,在板坯與夾輥之間共建立了108對接觸關系。
應力應變模型邊界條件的設置考慮了鋼水靜壓力、鑄坯溫度場和結晶器入口水平位移約束,詳細情況參見圖2。
通過有限元仿真分析,可以獲得鑄機不同位置處對應的板坯應力應變分布情況,且具有代表性的結果包括彎曲區(qū)等效應力、矯直區(qū)等效應力、彎曲區(qū)等效應變(彈性和塑性)、矯直區(qū)等效應變(彈性和塑性)及沿拉坯方向上內/外弧表面應力分布曲線等,限于篇幅,此處將僅給出矯直區(qū)等效應力、等效彈性應變的云圖以及兩種拉坯速度條件下相應的板坯內弧表面應力分布曲線,分別如圖3~5所示。
從圖中可知,矯直區(qū)板坯對應的最大等效應力和最大等效彈性應變分別約為15.09MPa和1.356e-3沿拉坯方向上板坯內弧表面應力總體上呈現出上升趨勢,且板坯應力(應變)隨著拉坯速度的增加而顯著增大。
3 三維建模仿真
為進一步提高連鑄板坯應力應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-應力應變耦合模型。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力應變效果,其計算域空間取為結晶器彎月面至鑄機尾部末輥之間的整個連鑄板坯,顯然此時問題復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)點六面體單元(HEX 8)對計算域空間進行了網格離散劃分,單元數共計42955個,節(jié)點數共計56304個,在板坯與夾棍之間共建立了108對接觸關節(jié),模型空間的詳細情況如圖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據結果,為便于對比分析,此處也給出了矯直區(qū)板坯相應和等效應力和等效彈性應變分布,如圖7~8所示。
從圖中不難看出,三維模型力學計算結果與二維模型力學計算結果基本趨勢一致,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力值較之二維模型相對略大一些,而應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,說明在板坯連鑄機工程的實際設計過程中完全可以采用二維模型來快速指導方案的設計,最后以三維模型來予以校對。
4 結論
本文基于MSC. Marc 2005r2平臺,針對連鑄板坯的應力應變場進行了二維和三維有限元仿真分析,獲得了對應于兩種建模思路的數據結果,包括鑄機不同位置處板坯的等效應力、等效彈性應變和等效塑性應變以及板坯內外弧表面應力沿拉坯方向上的分布等,這些力學信息對于板坯連鑄機工藝參數的設計具有重要的參考價值。仿真結果同時表明,板坯應力應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力值較之三維模型要略小一些,而應變值則要略大一些,但兩者之間的差異并不顯著,從提高計算效率和降低建模難度兩方面來看,在板坯連鑄機的實際工程設計中完全可以采用二維模型來作為分析平臺。
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