基于生死单元法的双辊铸轧过程热-力耦合数值模拟

发布时间：2020-02-07 15:23

【摘要】：以二辊鐖160mm×150mm立式铝带实验铸轧机为对象,基于MSC.Marc商用有限元软件及其二次开发接口,引入纯铝固-液两相材料本构模型和界面压力热阻数学模型,建立了双辊铸轧过程热-力耦合非线性有限元模型。采用生死单元法模拟铝液的连续浇入,解决了辊套和铸轧区铝带材间的连续耦合传热问题。通过数值模拟,给出了铸轧速度、浇铸温度、熔池高度等因素对KISS点位置和辊面温度时间历程的影响规律,并对典型工况温度模拟结果进行了实验验证。
【图文】：

过程热,铸轧,边界条件,模型

。为便于有限元建模，进行如下假设：①铸轧辊为刚性辊，铝液入口速度和温度恒定，，带坯与辊面不发生相对滑动；②铸轧区内熔体、铸坯与铸轧辊沿宽度方向传热均匀，轧制力轴向分布均匀，铸轧成形过程简化为平面应变问题；③辊套与辊内冷却水对流换热系数为定值；④铸轧辊与熔体间的换热系数取常数，辊面与带坯间的换热系数与接触压力、温度有关。为减小计算规模，根据传热和变形的对称性，取二分之一结构进行建模，在ＭＳＣ．Ｍａｒｃ软件平台上建立纯铝双辊铸轧过程热－力耦合仿真模型，如图２所示。以铸轧厚度为３ｍｍ的铝带产品为例进行建模分析，辊套厚３０ｍｍ，取铸轧区出口中心为坐标原点ｏ，高度方向为ｙ轴，辊面Ａ点（图２）为验证实验温度检测点。图２中，ｙａ为溶１．压下装置２．平衡弹簧３．铸轧辊４．铸轧带材５．浇铸系统６．铸轧辊７．振动机构图１二辊铸轧机结构简图池液面高度，ｙｋ为单元“杀死”的临界坐标，ｈ２为辊套和冷却水之间的对流换热系数。图２铸轧过程热－力耦合模型１．２传热边界条件（１）铸轧带坯与辊套之间接触换热边界表达为ｑｆ＝ｈ１（ｔＺＰ－ｔＧＴＷ）（１）其中，ｑｆ为轧辊与带坯间的热流密度；ｔＺＰ、ｔＧＴＷ分别为带坯表面温度和辊套表面温度；ｈ１为带坯与辊套之间的接触换热系数，与界面接触压力有关，文献［１４］通过界面热阻测试实验，给出了其回归公式：ｈ１Ｒａｋｍ＝２．３５×１０－３（ｐＨ）０．９３＋１．２９×１０－３（２）式中，Ｒａ为均方根表面粗糙度

温度分布,铸轧,辊面,温度分布

动，铸轧区内金属网格会将“死单元”带入铸轧区，当其节点坐标ｙ小于ｙａ时，通过子程序将新进入铸轧区的“死单元”重新“激活”。同样，为避免铸轧出口铝带长度过大而导致模型网格数量过多，在出口方向以ｙｋ作为单元“杀死”的临界坐标，单元节点坐标ｙ小于ｙｋ时将被“杀死”。因此，整个模拟过程中仅节点坐标在ｙｋ和ｙａ之间的单元保持“激活”状态，参与模型求解的单元数量大大减少，解决了连续浇铸模拟和快速仿真问题。２模拟结果分析２．１铝带单元“激活”与“杀死”处理图３是铸轧速度为２．４ｍ／ｍｉｎ时，完成第一圈轧制后的辊面温度变化云图。从图３中可以看出，金属熔体入口液面始终保持不变，当铸轧出口带坯延伸至ｙｋ点后，单元即被“杀死”。在有限元法中，对于被“杀死”的单元只是将其单元刚度矩阵乘上一个较小的参数（如１．０×１０－６），并非将其从实际模型中删除。由于被“杀死”单元的单元载荷、质量和热边界条件等其他同类参数均为０，故可大大提高模型求解效率。铝液入口单元温度初值则可在模型中设置，不受单元生死操作的影响。（ａ）时间τ＝０（ｂ）时间τ＝４ｓ（ｃ）时间τ＝１２ｓ（ｄ）时间τ＝１８ｓ图３铸轧过程辊面温度分布变化模拟获得了铸轧区稳态温度场（图４ａ）和带坯等效应力分布（图４ｂ），从图４中可以看出铸轧区内液相区、固－液两相区、固相区和ＫＩＳＳ点高度，以及铝带等效应力分布。结合铸轧辊与铝带间接触压力模拟结果（图５）和式（２），可计算出铸轧区内铝带和铸轧辊间的接触换热系数分布曲线（图５），接触压力从入口到出口先增大后减小

【参考文献】