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热带钢粗轧立轧过程有限元模拟及双抛物线狗骨模型研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 立辊轧边控宽技术简介

1.3 国内外狗骨形状研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 本文涉及的材料塑性成形力解析方法

1.4.1 极限分析法

1.4.2 流函数法

1.4.3 屈服准则线性化

1.4.4 矢量内积法

1.5 本文研究的意义及主要内容

1.5.1 研究意义

1.5.2 主要内容

第2章 立轧狗骨形状的理论研究

2.1 立轧狗骨形状的形成原因

2.2 影响立轧狗骨形状的因素

2.2.1 压下率的影响

2.2.2 立辊直径的影响

2.2.3 轧件厚度的影响

2.2.4 轧件宽度的影响

2.2.5 立辊速度的影响

2.3 狗骨形状的研究方法

2.3.1 实验回归法

2.3.2 有限元法

2.3.3 理论研究法

2.4 本章小结

第3章 立辊轧边有限元模型的建立

3.1 有限元法基本思想、分类及分析步骤

3.1.1 有限元法基本思想

3.1.2 有限元法分类

3.1.3 有限元法分析的一般步骤

3.2 有限元软件的简介

3.3 有限元模型的建立

3.3.1 几何模型的建立

3.3.2 材料属性的设定

3.3.3 轧件与轧辊之间接触的设定

3.3.4 边界条件和初始条件的设定

3.3.5 网格的划分及单元的选择

3.3.6 质量缩放

3.3.7 能量平衡

3.4 本章小结

第4章 立轧双抛物线狗骨模型的建立与解析

4.1 双抛物线狗骨模型的建立

4.2 流函数法建立立轧的速度场

4.2.1 横向位移的求解

4.2.2 Ⅰ区速度场和应变速度场的确定

4.2.3 Ⅱ区速度场和应变速度场的确定

4.2.4 Ⅲ区速度场和应变速度场的确定

4.3 立轧总功率泛函及其最小化

4.3.1 内部变形功率

4.3.2 剪切功率

4.3.3 摩擦功率

4.3.4 总功率泛函及其最小化

4.4 本章小结

第5章 有限元模拟分析及双抛物线狗骨模型验证

5.1 立轧过程模拟结果与分析

5.1.1 立轧变形特点

5.1.2 应力应变分析

5.1.3 位移分析

5.1.4 轧制力分析

5.1.5 速度分析

5.2 立轧工艺参数对狗骨形状的影响

5.2.1 压下率的影响

5.2.2 立辊直径的影响

5.2.3 轧件厚度的影响

5.3 双抛物线模型预测狗骨形状参数计算系统开发

5.4 双抛物线狗骨模型形状参数的验证

5.5 双抛物线狗骨模型力能参数的验证

5.6 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢

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摘要

为适应激烈的市场竞争,连铸-连轧技术因其优越性得到迅速发展,目前热带钢来料大多使用连铸坯。但是连铸过程中实现在线改变板坯宽度存在困难,因此通常在粗轧区内安装立辊轧机,通过立辊侧压来完成对板坯宽度的调节与控制。立辊轧制变形过程属于超高件塑性变形,变形主要集中在板宽两侧边缘上,造成板坯横断呈现狗骨形状。
  本文在深入理解热带钢粗轧立轧后产生狗骨形状原理的基础之上,首次提出双抛物线狗骨函数模型,最终得到可以预测狗骨形状参数和力能参数的解析解,该模型对于立轧控宽和轧制力的预报具有重要意义。主要研究内容如下:
  (1)阐述立轧后产生狗骨形状的变形特点,研究了压下率、轧件厚度、立辊直径、轧件宽度和立辊转速对狗骨形状的影响。总结和分析国内外对狗骨形状研究的方法,给出了研究者们在各自研究条件下得到的狗骨形状模型表达式。
  (2)利用有限元软件ABAQUS平台,建立了立辊轧制过程的有限元模型。选用ABAQUS/Explicit显式分析求解器求解模拟结果。分析模拟得到的立轧过程应力应变和位移云图,轧制力和节点运动速度随时间变化曲线等结果。
  (3)基于体积不变条件和流函数性质,首次建立了立轧双抛物线狗骨函数模型并得到了相应运动许可的速度场和应变速度场。利用刚塑性第一变分原理,分别用MY线性屈服准则、中值定理和共线矢量内积方法来求解内部变形功率、剪切功率和摩擦功率,最终得到立轧变形区的总功率泛函。通过Matlab求解泛函极值,最终得到立轧过程中力能参数和形状参数的解析解。
  (4)利用Visual C++/MFC开发双抛物线模型预测狗骨形状参数计算系统。将抛物线模型与FEM仿真、Yun和Okado的模型对比,验证不同压下率、轧件厚度和立辊直径时,双抛物线模型预测狗骨形状和立轧轧制力的精度,结果表明双抛物线狗骨模型的预测误差在7%以内。同时,双抛物线模型可以更完整、更容易的得到不同生产条件下的狗骨断面形状参数和力能参数。

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