铜管三辊行星轧后冷却过程温度场数值模拟与试验研究

发布时间：2020-10-21 09:08

　　 随着人们对生活质量要求的不断提高,刺激了空调冰箱制冷领域的空前发展。水平连铸得到的铜管坯铣面后通常是在三辊行星轧机上进行轧制开坯,管坯由铸态组织经轧制碾压破碎、再结晶后成为完全再结晶组织,同时在轧出端设置冷却水套,使轧出管坯晶粒细小均匀,为后道拉伸工序提供高质量的管坯。在实际生产应用中,冷却水套的结构参数和冷却工艺参数对冷却水套内部流体的流动情况有着重要的影响,直接影响冷却水套内轧件的温度场分布,轧件温度的大小及分布情况是决定轧件晶粒大小和组织分布的重要因素,轧件最终力学性能的差异取决于轧件冷却后晶粒大小及组织分布情况。本文的主要研究内容如下:(1)根据当前现有铜管厂三辊行星轧制的工艺特点,利用大型非线性有限元软件ABAQUS建立起铜管三辊行星轧制过程的三维热力耦合仿真模型,采用C3D8RT八结点热耦合六面体单元、采用三向线性位移、三向线性温度、减缩积分和沙漏控制,使用Explicit显示动力学对三辊行星轧制过程进行了有限元模拟,利用ALE网格自适应功能解决了铜管轧制过程中因压下量很大出现的网格严重畸变而导致的计算不收敛的问题,实现了管坯从咬入到稳定轧制的行星轧制全过程有限元模拟,得到了轧制后轧件的温度场和应力场结果。(2)根据当前现有铜管厂轧后冷却过程工艺特点,利用有限元软件FLUENT建立了冷却过程的冷却水模型,借助数据交换平台耦合ABAQUS和FLUENT软件,建立了基于数据交换平台的考虑运动因素的热-流-固耦合有限元模型,以软件ABAQUS建立起的三辊行星轧制过程的三维热力耦合仿真模型计算模拟得到的轧制后轧件的计算结果作为初始条件,对轧件冷却全过程进行了有限元模拟,探讨分析了冷却水套中流场的压力场和速度场分布情况以及轧件冷却过程中的温度场的分布情况。(3)利用数据交换平台建立起来的热流固耦合耦合仿真模型对冷却水套的结构参数进、出水口半径和冷却工艺参数入水压力进行优化,得到了不同参数变化对轧件温度场的影响规律,以温度均匀性作为评价标准,对冷却水套进水口和出水口位置进行优化改造,分析了进、出水口分布位置对冷却水套内部流体压力场和速度场以及冷却过程中轧件温度场的影响规律。(4)从工厂实际生产的轧件中取样做成金相试样件,进行金相实验和显微硬度实验;并利用Gleeble型热模拟机,按照数值模拟得到的热循环曲线对工厂取样得来的铜管坯母材进行热模拟实验,后进行金相实验和显微硬度实验;通过对比分析工厂生产试样和热模拟试样的金相组织和显微硬度验证了模型的准确性。
【学位单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG335.7
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题研究背景
    1.2 国内外铜管生产研究现状
        1.2.1 铸轧法
        1.2.2 铜管三辊行星轧制过程工作原理与特点
        1.2.3 铜管三辊行星轧后冷却过程工作原理与特点
    1.3 轧制过程有限元数值模拟的研究现状
    1.4 轧后冷却过程有限元数值模拟的研究现状
    1.5 本文的研究意义及内容
第2章 铜管三辊行星轧制过程和冷却过程相关理论
    2.1 引言
    2.2 传热分析理论
        2.2.1 热传递基本方式
        2.2.2 传热学基本方程
    2.3 流体动力学基本控制方程
        2.3.1 连续性方程
        2.3.2 动量方程
        2.3.3 能量方程
    2.4 三维湍流模型
        2.4.1 湍流基本方程
        2.4.2 标准k-ε模型
        2.4.3 壁面函数法
    2.5 热力耦合分析理论
        2.5.1 连续性方程
        2.5.2 运动方程
        2.5.3 能量方程
    2.6 热流固耦合分析数值计算软件的选择
        2.6.1 ABAQUS有限元软件
        2.6.2 FLUENT有限元软件
        2.6.3 数据交换平台
    2.7 本章小结
第3章 铜管三辊行星轧制和冷却全过程数值模拟
    3.1 引言
    3.2 铜管三辊行星轧制和冷却全过程数值模拟思路
    3.3 轧制过程热力耦合有限元模型
        3.3.1 几何模型的建立
        3.3.2 材料属性、边界条件及网格划分
    3.4 冷却水模型的建立
        3.4.1 几何模型的建立
        3.4.2 网格划分
        3.4.3 材料属性及边界条件
    3.5 热流固耦合有限元模型的建立
        3.5.1 热流固耦合有限元结构模型的建立
        3.5.2 热流固耦合有限元流体模型的建立
        3.5.3 考虑运动因素的热流固耦合有限元模型的设置
    3.6 速度场、压力场和温度场模拟结果分析
        3.6.1 速度场和压力场总体分析
        3.6.2 轧件温度场稳定性研究
        3.6.3 不同时刻轧件模拟结果及分析
        3.6.4 轧件沿圆周方向各点数据分析
        3.6.5 轧件沿径向各点数据分析
    3.7 本章小结
第4章 冷却水套结构改造及模拟分析
    4.1 进水口大小研究
    4.2 出水口大小研究
    4.3 进水压力研究
    4.4 进水口分布位置研究
        4.4.1 进水口分布位置改造方案
        4.4.2 速度场和压力场总体分析
        4.4.3 轧件温度场均匀性分析
    4.5 出水口分布位置的研究
        4.5.1 出水口分布位置改造方案
        4.5.2 速度场和压力场总体分析
        4.5.3 轧件温度场均匀性分析
    4.6 本章小结
第5章 有限元模型的验证
    5.1 试件的选取
        5.1.1 工厂实际生产试件的取样方案
        5.1.2 Gleeble热模拟试件的取样方案
    5.2 金相实验
        5.2.1 工厂试件金相实验
        5.2.2 热模拟试件金相实验
        5.2.3 两种金相实验结果对比分析
    5.3 显微硬度实验
        5.3.1 显微硬度实验方案
        5.3.2 实验数据分析
    5.4 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
致谢

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本文编号：2849926