[發明專利]一種快速計算軋件斷面溫度的有限元和有限差分耦合方法

有效

• 申請號: 201410552930.8
• 申請日: 2014-10-17
• 公開（公告）號: CN104298884B
• 公開（公告）日: 2017-06-16
• 發明（設計）人: 潘成剛;馬文超;何鵬;楊虎群;肖琴;葉傳龍;周家林;趙川翔;丁紫正;雷志斌;徐光;劉升
• 申請（專利權）人: 武漢科技大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;G06F17/50
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙)42222
• 代理人: 薛玲

技術領域

本發明屬于軋制技術領域，特別涉及熱軋過程中快速計算異形軋件斷面溫度的有限元與有限差分耦合方法。

背景技術

軋制過程中溫度是最重要的參數之一。由于溫度直接影響到軋制力和軋后軋件的彎曲，因此精確預報生產過程中各階段的溫度是控制軋制和控制冷卻的關鍵。過去在生產中使用的有限元方法計算時間長同時只適用于簡單斷面的板帶和棒線在線溫度計算，難以適應于各種斷面復雜的型鋼的溫度計算。采用有限元在計算復雜斷面軋件的溫度場時，耗時太多、軋件咬入難，這導致采用有限元法來快速計算復雜斷面軋件軋制過程中的溫度受到限制。而有限差分法過去主要應用在網格不變的工模具或變形規律簡單的板帶和棒線材的溫度計算中。復雜斷面的軋件無法預測軋制過程前后的金屬流動規律，而無法應用。有限差分法能快速的計算溫度，而有限元法能準確的反映軋制過程金屬流動規律，將兩種方法耦合在一起在線快速計算復雜斷面軋件的溫度成為可能，但是目前還沒有將有限元和有限差分兩種方法耦合在一起應用到復雜斷面軋制過程中。

公開號為CN 100495411C的中國專利公開了一種預測熱軋過程板帶溫度場的有限元方法，它包括采集軋制過程數據；對板帶斷面進行四邊形有限單元劃分；確定邊界換熱系數和內熱源強度；確定四邊形單元的形函數、B矩陣和雅克比矩陣J；確定有限單元的溫度剛度矩陣和變溫矩陣的組裝；一維變帶寬存儲法求解方程組。該方法可以較快的獲得熱軋板帶軋制過程軋件斷面的瞬態溫度場。但是該方法只應用在軋件斷面形狀簡單的板帶，復雜斷面軋件的熱軋過程的溫度計算無法進行有效快速計算。

公開號為CN101046682 A的中國專利公開了一種預測熱軋含Nb帶鋼組織及力學性能的方法，它用有限差分法建立溫度模型，包括輥道上軋件溫度模型、粗軋段軋件溫度模型、精軋段軋件溫度模型、層流冷卻段軋件溫度模型。該軋件斷面溫度計算模型也只適合于軋件斷面形狀簡單的板帶鋼，復雜斷面軋件的熱軋過程溫度計算也無法進行有效快速計算。

發明內容

本發明的目的就是克服計算復雜斷面軋件溫度計算的有限元方法時間過長、難自動化的缺點，克服有限差分法無法預測軋件軋制前后金屬流動規律的缺點，提高軋件斷面溫度計算的速度和自動化程度，提出一種快速計算軋件斷面的有限元和有限差分耦合方法。

本發明所采用的技術方案是：一種快速計算軋件斷面溫度的有限元和有限差分耦合方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：對坯料橫斷面進行有限差分網格劃分，建立有限差分分析模型；

步驟2：采用有限差分模型計算軋件從出爐、除鱗、及第一道次軋制前的斷面溫度；

步驟3：對第一道次軋制前的軋件進行有限元網格劃分，建立三維有限元模型并進行計算，獲得第一道次軋制前后軋件的有限元單元及節點數據；

步驟4：建立有限元和有限差分耦合模型，其具體實現包括以下子步驟：

步驟4.1：將第一道次軋制前軋件有限差分網格溫度映射到第一道次軋制前軋件有限元網格上；

步驟4.2：將第一道次軋制前軋件有限元節點溫度傳遞到第一道次軋制后軋件的有限元節點上，并將塑性變形熱導致的軋件溫度升高△T加到第一道次軋制后軋件的所有有限元節點上；

步驟4.3：對預先采用有限元方法計算好的第一道次軋制后的軋件斷面進行有限差分網格劃分，將第一道次軋制后軋件的有限元節點溫度映射到第一道次軋制后軋件的有限差分網格上；

步驟5：采用第一道次軋制后軋件的有限差分網格進行軋制間隙的溫度計算；

步驟6：以后各個道次軋制過程都采用步驟1對軋件橫斷面進行有限差分網格劃分和步驟4的耦合模型進行計算，軋制間隙及水霧冷卻的溫度采用步驟5對軋件橫斷面進行有限差分溫度計算，最終獲得軋件各個時刻的斷面溫度。

作為優選，步驟1中所述的對坯料橫斷面進行有限差分網格劃分，建立有限差分分析模型；其具體實現包括以下子步驟：

步驟1.1：在坯料橫斷面高度和寬度方向上采用均勻網格，網格大小根據軋件斷面的復雜程度來調節；有限差分網格范圍為矩形區域，整個有限差分網格覆蓋整個坯料橫斷面，為了便于判斷邊界點，有限差分網格比坯料橫斷面大兩個節點寬度和高度；

步驟1.2：構建內部節點的二維有限差分方程；

對于二維常物性控制方程(無熱源)(熱傳導平衡方程)

將式(1)中對時間的一階微商用一階向前差商代替，對坐標的二階微商用二階中心差商代替獲得內部節點的顯式差分方程為：

這里，Δτ為時間步長，如果是均勻離散Δx＝Δy，則有：