基于无网格的连铸坯传热/凝固数值计算方法

发布时间：2021-04-01 16:51

　　结晶器内发生的复杂传热、流动、凝固与力学行为是连铸坯质量控制的关键。恶劣工况给高温钢液和坯壳的直接检测制造了极大障碍,以有限差分、有限元为代表基于网格划分的数值模拟方法成为研究结晶器内铸坯凝固行为的主要手段。但随着研究的深入,网格离散计算方法的局限性逐渐显现,如无法精确重构凝固坯壳的形貌与液/固相区,也难以处理大变形和裂纹扩展等复杂问题。近年来,快速发展的无网格方法用一系列离散节点替代网格单元及拓扑结构,计算过程中摆脱了网格的束缚,在自适应、裂纹和大变形求解等问题中展露出显著优势。鉴于此,本文旨在建立基于无网格伽辽金法的铸坯传热与凝固计算模型,针对模型推导、方程离散、节点布置、软件开发和结果验证等环节进行研究,为连铸过程无网格方法的应用以及后续的裂纹预测等复杂问题奠定基础。依据移动最小二乘和变分原理,推导并建立了基于无网格伽辽金法的结晶器内铸坯凝固过程二维非稳态传热/凝固数学模型,运用C++语言自行设计和开发了面向对象的铸坯凝固过程无网格数值计算软件。以小方坯凝固过程为对象,通过计算把握和确定数值计算中的相关参数,之后分别采用节点均匀布置、加密布置、随机布置方式,模拟分析了小方坯凝固过... 

【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：72 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 连铸与铸坯凝固过程简介
        1.1.1 连铸技术简介
        1.1.2 结晶器内铸坯的凝固过程
    1.2 铸坯质量控制及数值模拟方法
        1.2.1 铸坯常见缺陷及其影响因素
        1.2.2 铸坯凝固过程的数值模拟方法
    1.3 无网格计算方法及其在连铸中的应用
        1.3.1 无网格方法简介
        1.3.2 无网格方法的发展与研究现状
        1.3.3 无网格方法在连铸中的应用
    1.4 本文的主要研究内容
2 基于无网格伽辽金法的铸坯传热/凝固计算模型开发
    2.1 无网格伽辽金法相关的基本概念
        2.1.1 场节点
        2.1.2 背景网格
        2.1.3 积分点
        2.1.4 支持域
    2.2 移动最小二乘近似与形函数
        2.2.1 移动最小二乘近似
        2.2.2 形函数及其导数
        2.2.3 权函数
    2.3 铸坯非稳态传热控制方程
        2.3.1 控制方程
        2.3.2 凝固潜热的处理
    2.4 伽辽金弱解形式与方程离散
        2.4.1 变分处理
        2.4.2 数值积分
        2.4.3 时间差分格式
    2.5 计算流程
    2.6 本章小结
3 小方坯传热/凝固行为计算及结果验证
    3.1 浇铸工艺与计算参数
        3.1.1 铸机参数与浇铸工艺
        3.1.2 钢种热物性参数
        3.1.3 边界条件的处理与施加方法
    3.2 有限元法参考解
    3.3 相关计算参数的确定与结果验证
        3.3.1 节点均匀布置
        3.3.2 支持域半径
        3.3.3 时间差分格式
        3.3.4 等单元间距条件下EFG法与有限元法结果对比
    3.4 边界节点加密布置
        3.4.1 自适应技术简介
        3.4.2 边界节点加密模型
        3.4.3 计算结果对比与讨论
    3.5 场节点非规则布置
        3.5.1 节点随机布置
        3.5.2 计算结果对比与讨论
    3.6 本章小结
4 基于实测反问题的宽厚板坯传热/凝固行为计算
    4.1 实验条件与计算参数
        4.1.1 铸机参数
        4.1.2 浇铸工艺
        4.1.3 钢种热物性参数
        4.1.4 结晶器铜板温度实时监测
    4.2 基于实测温度的传热反问题模型
        4.2.1 反问题简介
        4.2.2 结晶器/铸坯传热反问题模型
    4.3 结晶器/铸坯热流与边界条件施加
        4.3.1 结晶器/铸坯反算热流密度分布
        4.3.2 无网格计算中边界条件的处理
        4.3.3 计算流程
    4.4 铸坯传热与凝固进程
        4.4.1 节点布置模型
        4.4.2 铸坯表面温度分布
        4.4.3 二维铸坯切片的凝固进程
    4.5 非均匀边界条件下加密模型的优势
        4.5.1 节点加密布置
        4.5.2 温度分布与对比
        4.5.3 坯壳厚度识别与对比
        4.5.4 坯壳凝固行为分析
    4.6 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]基于四边形积分子域的一致性高阶无网格法[J]. 王冰冰,段庆林,李锡夔,张洪武,杨迪雄.  计算力学学报. 2017(06)
[2]基于滑动Kriging插值的MLPG法求解结构非耦合热应力问题[J]. 王峰,周宜红,郑保敬,林皋.  应用数学和力学. 2016(11)
[3]基于无网格法的含缺陷岩石变形局部化数值模拟研究[J]. 李术才,孙超群,许振浩,李利平,张延欢,吴静,周轮.  岩土力学. 2016(S1)
[4]无网格法及其在金属成形中的应用综述[J]. 黄凯,白鸿柏,路纯红,曹凤利.  锻压技术. 2016(02)
[5]修正的内部基扩充无网格法求解多裂纹应力强度因子[J]. 马文涛,许艳,马海龙.  工程力学. 2015(10)
[6]热传导的二阶一致1点积分无网格法[J]. 王冰冰,高欣,段庆林.  工程力学. 2014(09)
[7]基于实测温度的结晶器瞬态传热反问题计算方法[J]. 王旭东,臧欣阳,杜凤鸣,孔令伟,姚曼.  铸造技术. 2014(07)
[8]无网格法进展及在地球物理学中的应用[J]. 李俊杰,严家斌.  地球物理学进展. 2014(01)
[9]中厚板弯曲问题的Kriging插值无网格法[J]. 陈莘莘,李庆华,欧蔓丽.  计算物理. 2013(04)
[10]自适应无网格法在生物涂层接触问题中的应用[J]. 张征,吴化平,柴国钟,鲍雨梅,吴和龙.  力学与实践. 2012(03)

博士论文
[1]连铸板坯—结晶器传热、变形与摩擦行为研究[D]. 杜凤鸣.大连理工大学 2016
[2]活塞组耦合传热分析的三维无网格法计算模型与应用研究[D]. 张建平.华中科技大学 2013
[3]板坯连铸结晶器内凝固坯壳的热/力学行为研究[D]. 蔡兆镇.东北大学 2011
[4]基于无网格法的连铸结晶器内坯壳凝固与热应力的数值模拟[D]. 张雷.清华大学 2005

硕士论文
[1]结晶器保护渣渣膜/气隙及其热阻数值计算研究[D]. 胡鹏宏.大连理工大学 2018
[2]连铸保护渣液/固渣膜传热与润滑行为模拟研究[D]. 孔令伟.大连理工大学 2015
[3]改进型无网格伽辽金法在温度场的研究及应用[D]. 赵玉凤.燕山大学 2012
[4]随机无网格伽辽金法在若干工程问题中的应用研究[D]. 于玲.燕山大学 2010
[5]基于滑动Kriging插值的无网格局部Petrov-Galerkin法研究[D]. 郑保敬.太原科技大学 2010
[6]无网格法在数值传热学中的应用研究[D]. 范悦宏.南京理工大学 2005



本文编号：3113663