一种预测非对称组坯轧制复合板结合面处变形渗透的方法
阅读说明：本技术 一种预测非对称组坯轧制复合板结合面处变形渗透的方法 (Method for predicting deformation and penetration at junction surface of asymmetric assembly rolled composite plate ) 是由 王卫华 王小勇 马长文 罗家明 黄乐庆 于 2019-10-23 设计创作，主要内容包括：本发明实施例提供了一种预测非对称组坯轧制复合板结合面处变形渗透的方法,包括：根据实际情况确定复合板的性能参数；建立几何模型并对其进行离散化处理；将参数代入模型并对其施加载荷和边界条件；根据实际情况选择连接方式；利用有限元算法对模型进行求解；提取各节点的塑性应变分布规律和塑性应变值；改变复合板上下厚度比例,重复上述步骤,得到塑性应变规律。解决了现有技术中对非对称组坯带来的板形及厚度均匀性以及结合面处的变形渗透是否充分难以预测的技术问题。达到了采用有限元数值模拟技术,对非对称组坯轧制复合板结合面处的变形渗透进行了规律性研究,能够预测不同厚度比例组坯条件下,是否达到变形渗透效果的技术效果。(The embodiment of the invention provides a method for predicting deformation and permeation at a joint surface of an asymmetric assembly rolled composite plate, which comprises the following steps: determining the performance parameters of the composite board according to the actual conditions; establishing a geometric model and carrying out discretization treatment on the geometric model; substituting the parameters into the model and applying load and boundary conditions to the model; selecting a connection mode according to actual conditions; solving the model by using a finite element algorithm; extracting a plastic strain distribution rule and a plastic strain value of each node; and (4) changing the upper and lower thickness proportion of the composite plate, and repeating the steps to obtain a plastic strain rule. The technical problems that in the prior art, the plate shape and thickness uniformity caused by asymmetric assembly and whether the deformation and the penetration at a joint surface are sufficient or not are difficult to predict are solved. The technical effect that the deformation and penetration effect at the joint surface of the asymmetric assembly rolled composite plate is regularly researched by adopting a finite element numerical simulation technology, and whether the deformation and penetration effect is achieved under the conditions of assemblies with different thickness proportions can be predicted is achieved.)
技术领域
本发明涉及轧钢工艺技术领域，尤其涉及一种预测非对称组坯轧制复合板结合面处变形渗透的方法。
背景技术
不锈钢等双金属复合钢板作为一类节能、环保的新型材料，在现代工业中应用十分广泛，其中化工、核电行业需求的多为厚规格复合板，但由于加热炉尺寸与轧机开口度的限制，对称叠轧模式下可生产复合板的厚度严重受限(一般≤40mm)。为了提高叠轧模式下生产复合板的厚度，研究人员提出了非对称组坯的轧制方式，但非对称组坯带来了板形及厚度均匀性等难题，尤其是轧制过程中复合板组坯结合面处的变形渗透是否充分的问题。
但本申请发明人在实现本申请实施例中技术方案的过程中，发现上述现有技术至少存在如下技术问题：
现有技术中的方法对非对称组坯带来的板形及厚度均匀性、尤其是轧制过程中复合板组坯结合面处的变形渗透是否充分难以预测。
发明内容
本发明实施例提供了一种预测非对称组坯轧制复合板结合面处变形渗透的方法，解决了现有技术中对非对称组坯带来的板形及厚度均匀性、尤其是轧制过程中复合板组坯结合面处的变形渗透是否充分难以预测的技术问题。
鉴于上述问题，本发明实施例提供了一种预测非对称组坯轧制复合板结合面处变形渗透的方法，所述一种预测非对称组坯轧制复合板结合面处变形渗透的方法包括：步骤1、根据实际复合板叠轧生产情况，确定轧制工艺参数、复合板组坯上下厚度比例、复合板的物理性能参数；步骤2、利用有限元法建立工作辊和复合板组坯的几何模型，采用结构化网格对所述几何模型进行离散化处理；步骤3、将所述复合板的物理性能参数赋予所述几何模型中，对所述几何模型施加载荷和边界条件；步骤4、根据叠轧复合板的实际情况，对不同材料之间施加正确的连接方式；步骤5、利用显式有限元算法对所述几何模型进行求解；步骤6、提取变形区外厚度方向各节点的等效塑性应变，得到复合板厚度截面的塑性应变分布规律和所述各节点的等效塑性应变值；步骤7、改变所述复合板组坯上下厚度比例，重复进行步骤1～6的过程，得到不同厚度比例下各复合板组坯节点的等效塑性应变规律。
进一步的，所述步骤3包括：将所述复合板的物理性能参数中的温度场与复合板的重力作为载荷赋予所述几何模型中进行加载；确定复合板粗轧轧制规程，将边界条件参数赋予所述几何模型中进行加载。
进一步的，所述步骤4包括：所述工作辊与复合板之间采用摩擦接触方式，其中，所述摩擦接触方式依据滑动摩擦定律，由公式f＝μ·N确定；式中：μ为滑动摩擦系数，范围在0.1～0.35之间；N为所述工作辊和复合板组坯之间的接触正压力(N)。
进一步的，所述步骤4包括：双金属板之间采用共节点方式。
进一步的，所述步骤4包括：上下两块复合板之间采用绑定接触方式.
进一步的，所述边界条件参数包括：工作辊组坯散热边界条件、各道次压下量、轨道运行速度、工作辊组坯自由度、工作辊位移和旋转自由度、旋转角速度、工作辊质量、对称边界条件。
进一步的，所述工作辊组坯散热边界条件具体为：对工作辊组坯施加涵盖辐射和对流换热的综合换热系数，依据公式
进一步的，所述工作辊与工作辊组坯的传热方式处理为接触传热，其热流强度依据公式qR＝hR(TS-TR)得到；其中：hR为轧辊与组坯之间的接触换热系数(W/m2·℃)，为10000W/m2·℃～30000W/m2·℃；Ts为钢板表面温度；TR为轧辊表面温度(℃)。
本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
在本发明实施例提供的一种预测非对称组坯轧制复合板结合面处变形渗透的方法，包括：步骤1、根据实际复合板叠轧生产情况，确定轧制工艺参数、复合板组坯上下厚度比例、复合板的物理性能参数；步骤2、利用有限元法建立工作辊和复合板组坯的几何模型，采用结构化网格对所述几何模型进行离散化处理；步骤3、将所述复合板的物理性能参数赋予所述几何模型中，对所述几何模型施加载荷和边界条件；步骤4、根据叠轧复合板的实际情况，对不同材料之间施加正确的连接方式；步骤5、利用显式有限元算法对所述几何模型进行求解；步骤6、提取变形区外厚度方向各节点的等效塑性应变，得到复合板厚度截面的塑性应变分布规律和所述各节点的等效塑性应变值；步骤7、改变所述复合板组坯上下厚度比例，重复进行步骤1～6的过程，得到不同厚度比例下各复合板组坯节点的等效塑性应变规律。解决了现有技术中对非对称组坯带来的板形及厚度均匀性、尤其是轧制过程中复合板组坯结合面处的变形渗透是否充分难以预测的技术问题。达到了在非对称组坯叠轧复合板过程中，采用有限元数值模拟技术，对非对称组坯轧制复合板结合面处的变形渗透进行了规律性研究，找到一种能够预测不同厚度比例组坯条件下，非对称组坯叠轧时是否达到变形渗透效果的技术效果。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的
具体实施方式
。
附图说明
图1为一种预测非对称组坯轧制复合板结合面处变形渗透的方法的流程示意图。
图2为一种非对称组坯轧制装置结构示意图。
图3为一种预测非对称组坯轧制复合板结合面处变形渗透的方法中对非对称组坯离散化后的有限元模型示意图。
图4为一种预测非对称组坯轧制复合板结合面处变形渗透的方法中得到的复合板厚度截面的塑性应变分布规律示意图。
图5为一种预测非对称组坯轧制复合板结合面处变形渗透的方法中得到的不同厚度比例下复合板厚度截面的塑性应变分布规律示意图。
图6为一种预测非对称组坯轧制复合板结合面处变形渗透的方法中得到的各组坯结合面处节点的等效塑形应变规律示意图。
附图标记说明：轧辊1、基板2、复板3。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种预测非对称组坯轧制复合板结合面处变形渗透的方法，解决了现有技术中对非对称组坯带来的板形及厚度均匀性、尤其是轧制过程中复合板组坯结合面处的变形渗透是否充分难以预测的技术问题。
本实发明提供的技术方案总体思路如下：所述方法包括：步骤1、根据实际复合板叠轧生产情况，确定轧制工艺参数、复合板组坯上下厚度比例、复合板的物理性能参数；步骤2、利用有限元法建立工作辊和复合板组坯的几何模型，采用结构化网格对所述几何模型进行离散化处理；步骤3、将所述复合板的物理性能参数赋予所述几何模型中，对所述几何模型施加载荷和边界条件；步骤4、根据叠轧复合板的实际情况，对不同材料之间施加正确的连接方式；步骤5、利用显式有限元算法对所述几何模型进行求解；步骤6、提取变形区外厚度方向各节点的等效塑性应变，得到复合板厚度截面的塑性应变分布规律和所述各节点的等效塑性应变值；步骤7、改变所述复合板组坯上下厚度比例，重复进行步骤1～6的过程，得到不同厚度比例下各复合板组坯节点的等效塑性应变规律。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本发明实施例提供的一种预测非对称组坯轧制复合板结合面处变形渗透的方法，请参考图1～6，所述方法包括：
步骤1、根据实际复合板叠轧生产情况，确定轧制工艺参数、复合板组坯上下厚度比例、复合板的物理性能参数；
具体而言，复合轧制工艺参数包括复合板板组坯钢坯尺寸、轧制目标总厚度、轧机的轧辊1直径、轧辊1长度、轧辊1质量、轨道运行速度、轧辊1转速等，并确定复合板组坯上下厚度比例、复合板基板2和复板3的规格，以及复合板基板2和复板3的材质以及各材质的物理性能参数。
步骤2、利用有限元法建立工作辊和复合板组坯的几何模型，采用结构化网格对所述几何模型进行离散化处理；
具体而言，有限元法将一个连续的几何体离散成有限个单元，并在每一个单元中设置有限个节点，从而将连续体看作仅在节点处相连的一组单元的集合体，利用有限元法建立复合板组坯几何模型，模型包括：轧辊和复合板组坯，模型大小与实际生产相同，3D可建立组坯宽度方向对称模型，模型大小为实物的1/2，离散后的几何模型如图3所示。
步骤3、将所述复合板的物理性能参数赋予所述几何模型中，对所述几何模型施加载荷和边界条件；
具体而言，结构都是在一定环境下工作的，受到约束和载荷，定义了正确的载荷和边界条件，进而确定复合板轧制规程。
步骤4、根据叠轧复合板的实际情况，对不同材料之间施加正确的连接方式；
具体而言，轧辊1与复合板之间摩擦接触，基板2和复板3之间具有公共节点，不同的接触方式将产生不同的作用力。
步骤5、利用显式有限元算法对所述几何模型进行求解；
具体而言，对每个单元，选取适当的函数，当单元组合体在已知外载荷作用下处于平衡状态时，列出一系列以节点、位移为未知量的线性方程组，计算出各单元的应力、应变。
步骤6、提取变形区外厚度方向各节点的等效塑性应变，得到复合板厚度截面的塑性应变分布规律和所述各节点的等效塑性应变值；
具体而言，利用有限元软件的后处理模块，提取变形区外厚度方向各节点的等效塑性应变，对各节点的等效塑性应变值作图分析，得到复合板厚度截面如图4所示的塑性应变分布规律。
步骤7、改变所述复合板组坯上下厚度比例，重复进行步骤1～6的过程，得到不同厚度比例下各复合板组坯节点的等效塑性应变规律。
具体而言，通过重复进行步骤1～6得到不同厚度比例下如图5所示的复合板厚度截面的塑性应变分布规律，进而得到如图6所示的各组坯结合面处节点的等效塑形应变规律。
进一步的，所述步骤3包括：将所述复合板的物理性能参数中的温度场与复合板的重力作为载荷赋予所述几何模型中进行加载；确定复合板粗轧轧制规程，将边界条件参数赋予所述几何模型中进行加载。
具体而言，载荷的具体内容为温度场载荷与复合板组坯所受到的重力载荷，其中温度场载荷为温度的函数，重力载荷依据公式G＝m·g确定，式中：m为复合板组坯的质量(Kg)；g为重力加速度，9.8(m/s2)。
进一步的，所述步骤4包括：所述工作辊与复合板之间采用摩擦接触方式，其中，所述摩擦接触方式依据滑动摩擦定律，由公式f＝μ·N确定；式中：μ为滑动摩擦系数，范围在0.1～0.35之间；N为所述工作辊和复合板组坯之间的接触正压力(N)。
具体而言，由接触方式可知轧辊1与复合板之间为摩擦接触，上下两块复合板之间绑定接触，摩擦力可由摩擦力计算公式计算得出，道次压下量一定时，接触正压力为一定值。
进一步的，所述步骤4包括：双金属板之间采用共节点方式。
具体而言，双金属板之间存在实体接触，故存在重合的公共点。
进一步的，所述步骤4包括：上下两块复合板之间采用绑定接触方式。
具体而言，如果接触区域被设置为绑定，不允许面或线间有相对滑动或分离，可以将此区域看作被连接在一起，类似于共结点，因为接触长度或面积是保持不变的，所以这种接触可以用作线性求解。
进一步的，所述边界条件参数包括：工作辊组坯散热边界条件、各道次压下量、轨道运行速度、工作辊组坯自由度、工作辊位移和旋转自由度、旋转角速度、工作辊质量、对称边界条件。
具体而言，在求解区域边界上所求解的变量或其导数随时间和地点的变化规律，边界条件是控制方程有确定解的前提，对于任何问题，都需要给定边界条件，边界条件的确定，直接影响了计算结果的精度。
进一步的，所述工作辊组坯散热边界条件具体为：对工作辊组坯施加涵盖辐射和对流换热的综合换热系数，依据公式
具体而言，通过公式计算得到热辐射的等效对流换热系数。
进一步的，所述工作辊与工作辊组坯的传热方式处理为接触传热，其热流强度依据公式qr＝hr(TS-TR)得到；其中：hr为轧辊与组坯之间的接触换热系数(W/m2·℃)，为10000W/m2·℃～30000W/m2·℃；Ts为钢板表面温度；TR为轧辊表面温度(℃)。
具体而言，通过公式计算得到工作辊与工作辊组坯的热流强度。
实施列二
针对实施例一，本申请实施例还提供了一种预测非对称组坯轧制复合板结合面处变形渗透的实施方法，具体包括：
如经过测量，复合板组坯钢坯尺寸为：2700mm(长)×2400mm(宽)×430mm(厚)；轧制目标总厚100mm。轧机的轧辊直径：Ф1120mm，轧辊长度：4600mm；单个轧辊质量为124t，轨道运行速度为1.2m/s，轧辊转速：20.8r/min，则工艺参数如下表：
表1复合板组坯上下厚度比例、复合板基板和复板的规格
利用有限元法建立复合板组坯2D几何模型如图2，采用结构化网格对模型离散化后的有限元模型如图3，然后将双金属复合材料的物理性能参数赋予模型中，本实施例认为复合板组坯加热充分，温度场分布均匀，基板和复板温度均为1100℃，根据综合换热系数依据公式
表3粗轧压下规程
轧辊旋转方向为往复轧制；单个轧辊质量为124t；轨道运行速度为1.2m/s；旋转角速度由确定，本实施例的旋转角速度
本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
在本发明实施例提供的一种预测非对称组坯轧制复合板结合面处变形渗透的方法，包括：步骤1、根据实际复合板叠轧生产情况，确定轧制工艺参数、复合板组坯上下厚度比例、复合板的物理性能参数；步骤2、利用有限元法建立工作辊和复合板组坯的几何模型，采用结构化网格对所述几何模型进行离散化处理；步骤3、将所述复合板的物理性能参数赋予所述几何模型中，对所述几何模型施加载荷和边界条件；步骤4、根据叠轧复合板的实际情况，对不同材料之间施加正确的连接方式；步骤5、利用显式有限元算法对所述几何模型进行求解；步骤6、提取变形区外厚度方向各节点的等效塑性应变，得到复合板厚度截面的塑性应变分布规律和所述各节点的等效塑性应变值；步骤7、改变所述复合板组坯上下厚度比例，重复进行步骤1～6的过程，得到不同厚度比例下各复合板组坯节点的等效塑性应变规律。解决了现有技术中对非对称组坯带来的板形及厚度均匀性、尤其是轧制过程中复合板组坯结合面处的变形渗透是否充分难以预测的技术问题。达到了在非对称组坯叠轧复合板过程中，采用有限元数值模拟技术，对非对称组坯轧制复合板结合面处的变形渗透进行了规律性研究，找到一种能够预测不同厚度比例组坯条件下，非对称组坯叠轧时是否达到变形渗透效果的技术效果。
尽管已描述了本发明新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
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