连铸板坯应力应变场的二维/三维有限元分析

2013-06-09  by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM  来源:仿真在线

以某钢厂四号板坯连铸机为研究对象,应用商业有限元软件MSC. Marc 2005r2,并基于二维模型和三维模型两种建模思路对连铸板坯的应力应变场进行了仿真分析,获得了板坯表面及内部应力应变的详细分布情况,仿真结果表明,板坯局部的应力应变值随着拉坯速度的增加而相应增大,且在二维模型和三维模型两种条件下获得的计算结果趋于一致,从理论上说明,在实际的板坯连铸工程中完全可以采用二维有限元分析方法来指导设计,以有效简化设计难度及提高设计效率。

作者: 冯科* 韩志伟 来源: e-works
关键字: 连铸板坯 应力应变 二维/三维模型 有限元法 

板坯连铸浇铸过程中,凝固坯壳将受到多种应力作用[1],包括:凝固坯壳与结晶器之间的摩擦引起的应力、钢水静压力引起的应力、凝固坯壳弯曲引起的应力以及铸坯中心与表面之间温度差引起的热应力等。在以上所述热应力和机械应力的共同作用下,铸坯中将形成相应的应变分布,其为板坯裂纹缺陷形成有主要根源。在板坯连铸机的工程设计中,必须全面考虑各种工艺参数条件下相应的铸坯应力应变分布情况,以确保获得良好的铸坯质量。 
   
针对连铸板坯应力应变分布的准确预测,有限元分析是一种相当实用且有效的理论方法,应用有限元软件可以较为方便地获得丰富的直观的热、力学仿真结果,为板坯内部裂纹的产生提供可靠的判断依据,为板坯连铸工程设计提供重要的理论指导。 
   

    1 分析对象描述 
   
本文以商业有限元软件MSC. Marc 2005r2为仿真平台,针对某钢厂四号板坯连铸机从结晶器至扇形段末辊间的连铸板坯,根据该台连铸机的具体条件(夹辊排列、喷嘴排列和喷嘴特性),并在考虑钢种热物性参数(密度、比热、热膨胀系数、弹性模量等)随温度变化的关系及二冷区存在着的多种传热模式(水冲击传热、辐射传热、夹辊传热和水聚集蒸发传热)下,分别进行了二维和三维板坯传热、应力应变耦合求解分析,且仿真对象的基本情况简要描述如下。
   
    ·板坯规格:250mm(厚) × 1800mm(宽)
    ·浇铸钢种:Q345
    ·拉坯速度:1.0m/min、1.2m/min
    ·冷却制度:中冷方案
    ·二次冷却:9个冷却区、16个控制回路
    ·铸机辊列:参见图1
   
    2 二维建模仿真 
   
以从结晶器弯月面至铸机尾部末辊之间的连铸板坯中心纵断面为对象空间(不考虑铸坯宽度方向上的传热和应变),基于MSC. Marc 2005r2平台建立了板坯/夹辊接触模型,其中考虑了钢水静压力作用及热力耦合效应。模型采用四节点四边形单元(QUAD 4)对计算域空间进行了网格离散划分,单元数共计8591个,节点数共计9384个,在板坯与夹辊之间共建立了108对接触关系。 
   
应力应变模型边界条件的设置考虑了钢水静压力、铸坯温度场和结晶器入口水平位移约束,详细情况参见图2。 
   
通过有限元仿真分析,可以获得铸机不同位置处对应的板坯应力应变分布情况,且具有代表性的结果包括弯曲区等效应力、矫直区等效应力、弯曲区等效应变(弹性和塑性)、矫直区等效应变(弹性和塑性)及沿拉坯方向上内/外弧表面应力分布曲线等,限于篇幅,此处将仅给出矫直区等效应力、等效弹性应变的云图以及两种拉坯速度条件下相应的板坯内弧表面应力分布曲线,分别如图3~5所示。 
   
从图中可知,矫直区板坯对应的最大等效应力和最大等效弹性应变分别约为15.09MPa和1.356e-3沿拉坯方向上板坯内弧表面应力总体上呈现出上升趋势,且板坯应力(应变)随着拉坯速度的增加而显著增大。
   

    3 三维建模仿真
   
为进一步提高连铸板坯应力应变场有限元仿真的求解精度,本文基于同样的研究对象和边界条件处理方法建立了板坯三维传热-应力应变耦合模型。较之二维模型,三维模型考虑了板坯宽度方向上的传热和应力应变效果,其计算域空间取为结晶器弯月面至铸机尾部末辊之间的整个连铸板坯,显然此时问题复杂性有较大程度的增加(从空间离散、边界条件加载和多场耦合求解等角度看)。模型中采用八节点六面体单元(HEX 8)对计算域空间进行了网格离散划分,单元数共计42955个,节点数共计56304个,在板坯与夹棍之间共建立了108对接触关节,模型空间的详细情况如图6所示。
   
通过有限元仿真可以获得与二维模型大致相同的数据结果,为便于对比分析,此处也给出了矫直区板坯相应和等效应力和等效弹性应变分布,如图7~8所示。 
   
从图中不难看出,三维模型力学计算结果与二维模型力学计算结果基本趋势一致,但由于前者在宽度方向温度分布有变化,因此三维模型仿真求解获得的应力值较之二维模型相对略大一些,而应变值则相对略小一些,且对于相同的板坯位置来说,两者之间的差异并不十分明显,说明在板坯连铸机工程的实际设计过程中完全可以采用二维模型来快速指导方案的设计,最后以三维模型来予以校对。 
    

    4 结论 
   
本文基于MSC. Marc 2005r2平台,针对连铸板坯的应力应变场进行了二维和三维有限元仿真分析,获得了对应于两种建模思路的数据结果,包括铸机不同位置处板坯的等效应力、等效弹性应变和等效塑性应变以及板坯内外弧表面应力沿拉坯方向上的分布等,这些力学信息对于板坯连铸机工艺参数的设计具有重要的参考价值。仿真结果同时表明,板坯应力应变情况随着拉坯速度的增加而加剧,且二维模型求解获得的应力值较之三维模型要略小一些,而应变值则要略大一些,但两者之间的差异并不显著,从提高计算效率和降低建模难度两方面来看,在板坯连铸机的实际工程设计中完全可以采用二维模型来作为分析平台。

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