Разработка и практическое применение метода анализа напряженно-деформированного состояния металла для процессов горячей сортовой прокатки

• Автор: Машкова, Надежда Николаевна
• Шифр специальности: 05.03.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 198 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение
1. Обзор существующих моделей прокатки
1.1. Эмпирические и статистические методы
1.2. Методы, позволяющие свести расчет деформации полосы в калибре к расчету прокатки в гладких валках
1.3. Модели прокатки, основанные на уравнениях механики сплошной среды
1.3.1. Модели, основанные на решении упрощенных дифференциальных уравнений равновесия
1.3.2. Модели, основанные на методе характеристик и методе функций тока
1.3.3. Применение вариационных принципов в теории пластичности
1.3.4. Численные методы, используемые при решении задач ОМД
1.3.5. Моделирование процесса прокатки с использованием метода конечных элементов
1.4. Выводы. Постановка задачи исследования
2. Методика расчета деформационных и энергосиловых параметров прокатки сортовых профилей
2.1. Математическая модель формоизменения металлов, обладающих скоростной чувствительностью
2.2. Основные соотношения метода конечных элементов (МКЭ) для объёмной задачи
2.3. Основные допущения, принимаемые при физической постановке задачи сортовой прокатки
2.4. Алгоритм построения пространственного напряженно-деформированного состояния для элемента очага деформации
2.5. Соотношения МКЭ для обобщенной задачи
2.6. Факторы, влияющие на процесс прокатки в калибрах:
2.6.1. Вычисление нейтрального сечения
2.6.2. Учет подпора рассматриваемого сечения со стороны соседних сечений
2.6.3. Изменение контура сечений валка в зависимости от координаты плоскости сечения очага деформации. Определение координаты 2 = 1д точки захвата металла валками
2.6.4. Вычисление скоростей движения точек контактной поверхности с учетом пошагового изменения контура
2.7. Граничные условия при решении задач прокатки
2.8. Вычисление продольной скорости сечений полосы
2.9. Задание механических свойств металлов и сплавов при горячей обработке давлением
2.10. Определение усилия и момента прокатки
2.11. Выводы
3. Структура и функциональные возможности пакета SPLEN-S (Rolling)
3.1. Препроцессор пакета SPLEN-S (Rolling)
3.2. Ядро пакета SPLEN-S (Rolling)
3.3. Постпроцессор пакета SPLEN-S (Rolling)
3.4. Выводы
4. Моделирование и анализ процесса прокатки с использованием комплекса
программ SPLEN-S (Rolling)
4.1. Исследование влияния количества элементов разбиения очага деформации на точность вычислений
4.2. Влияние выбора нейтрального сечения на точность моделирования
4.3. Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных показателей формоизменения при прокатке в гладких валках, полученных на лабораторном стане МГМИ
4.4. Оценка адекватности модели реальному процессу на основе экспериментально-промышленных данных о сортовой прокатке
4.5. Анализ возможностей пакета программ SPLEN-S (Rolling) в сравнении с программой трехмерного моделирования прокатки в калибрах SHPROL
4.6. Влияние условий прокатки на формоизменение, кинематику течения и напряженное состояние металла
4.7. Выводы
5. Применение пакета SPLEN-S (Rolling) для анализа и совершенствования
промышленных калибровок валков
5.1. Анализ и изменение новой промышленной калибровки стана 320/250 завода “Серп и Молот” с целью получения качественного профиля
5.2. Результаты опытно-промышленного опробования вычислительной системы на Магнитогорском металлургическом комбинате
5.3. Выводы
6. Выводы
7. Список литературы
Приложения

ВВЕДЕНИЕ
В условиях современного рынка и конкуренции между предприятиями все большее внимание уделяется расширению и совершенствованию структуры профильного и марочного сортамента проката и повышению его качества, наиболее полному использованию возможностей установленного оборудования. Все чаще возникает необходимость в производстве малых партии проката, новые для отечественных прокатных цехов, требующих модернизации существующих и разработки новых калибровок. Обширного экспериментирования требуют также процессы, использующие новые материалы, формы калибров, высокую скорость прокатки. При разработке технологических процессов возникает потребность прогнозирования поведения конкретных материалов при конкретных условиях горячей пластической деформации. В целях выпуска качественной продукции и научных исследований процесса возникает необходимость в знании возникающих в процессе прокатки в калибрах распределения деформации, скоростей деформации, напряжений, температуры.
Промышленные экспериментальные исследования в этой области чрезвычайно дорогостоящи, и почти всегда требуют прерывания производственного процесса и привлечения специальной техники. Значительная трудоемкость таких исследований и малочисленность имеющихся в литературе экспериментальных данных по прокатке в калибрах замедляет и делает более дорогой разработку новых технологи- ческих процессов и усовершенствование существующих. Более того, экспериментальное получение распределения напряжений и скоростей деформации по толщине раската вызывает большие затруднения.
Одно из решений этой проблемы лежит в создании компьютерной системы, моделирующей процесс деформирования металла при прокатке в калибрах. Организация вычислительного эксперимента, с одной стороны, уменьшает время принятия технологического решения, с другой стороны, позволяет избежать трудоемких и дорогостоящих промышленных экспериментов, связанных с уточнением технологии, и, уже на стадии проектирования, выявить возможные дефекты формы, степень проработки металла. Тем самым проектный технологический процесс может быть максимально приближен к рабочему.
Широкое распространение персональной вычислительной техники породило значительный рост количества работ в обласги разработки математических методов моделирования и создания различных моделей процессов обработки металлов давлением, в том числе и процесса прокатки в калибрах. Однако, как показал обзор работ в этой области, существующие модели прокатки в калибрах либо существенно упрощают про-

валки во всех работах считаются абсолютно жесткими. Стационарная задача вязко-пластического течения металла при горячей прокатке на гладкой бочке решена в работах [91, 120]. При этом решалась связанная задача моделирования течения металла и нелинейной теплопроводности. Двумерные задачи плоской горячей прокатки рассмотрены в работах [101, 121-123], где также итеративной процедурой с помощью МКЭ решалась связанная деформационная и температурная задачи. Тем не менее, остался практически не затронутым вопрос учета контактного трения.
, Процесс листовой прокатки рассматривается в [93] как для установившегося так и неустановившегося течения с использованием жестко-пластического МКЭ, а позднее и уширение [110] проанализировано в работах Г. Ли и ИТКобаяши (1й 0.1., КоЬауазЫ Б.) в предположении о плоских сечениях (то есть предположении, что продольная скорость деформации одинакова для любой точки поперечного сечения).
Совсем недавно с использованием трехмерного метода конечных элементов были получены некоторые интересные результаты. Проанализированы штамповка блока в открытых штампах, а также сжатие кольца и выдавливание.
Во ВНИИметмаше разработана программа ”Мега” [90, 100], в которой на основе упруго-пластической формулировки МКЭ и дифференциальных уравнений определяется напряженно-деформированное состояние при прокатке и других процессах ОМД.
Решение системы, состоящей из уравнений равновесия, уравнений Прандт-ля-Рейса и соотношений Коши, должно удовлетворить граничным условиям на контактной и свободной поверхностях. На контактной поверхности обычно задана нормальная составляющая перемещений или скорости и касательная составляющая нагрузки. Задача считается упруго-пластической, так как материал до входа в очаг деформации и после выхода из него находится в упругом состоянии, не считая внешних зон, длина которых заранее не известна, и определяется в процессе решения, а внутри очага деформации — в пластическом. При этом учитывается многократная нагрузка и разгрузка, как внутри, так и вне геометрического очага деформации. Выбор достаточно малых приращений перемещений или нагрузки в системе уравнений позволяет свести исходную нелинейную задачу к некоторой последовательности упругих задач за счет линеаризации соотношений с1ст ~ на каждом шаге нагружения. Задача решается в приращениях перемещений или в скоростях.
Приращения нагрузки или приращения перемещений выбираются с учетом граничных условий таким образом, чтобы соответствующие приращения деформаций и напряжений удовлетворяли уравнениям пластичности течения, то есть были достаточно малыми величинами.