基于ANSYS平臺的中厚板控冷過程的溫度場有限元模擬及分析

1、TotalNo1147冶金設備總第147期October2004METALLURGICALEQUIPMENT2004年10月第5期技術分析基于ANSYS平臺的中厚板控冷過程的溫度場有限元模擬及分析崔乃忠王邦文靳哲(北京科技大學機械工程學院北京100083)摘要利用ANSYS,得到了鋼板在水冷條件下的溫度時間歷程曲線及瞬態(tài)溫度場分布,。關鍵詞中厚板控冷溫度場有限元模擬中圖分類號TG155.3andAnalysisofMediumSteelPlateFieldintheProcessofControlledCoolingBasedonFlatRoofofANSYSCuiNaizhongWangBa

2、ngwenJinZhe(MechanicalEngineeringSchool,UniversityofScienceandTechnologyBeijing)ABSTRACTThesimulationofMediumSteelplatetemperaturefieldintheprocessofpast-rollingcontrolledcoolingbasedonfiniteelementanalysissoftwareANSYSisdiscussed.Thesimulationresultsoftemperaturecoursecurvesandtran2sienttemperature

3、distributionprovideexcellentguidancetothecontrolofcoolingprocess.KEYWORDSMediumSteelplateControlledcoolingTemperaturefieldFiniteelementsimulation控制冷卻(ControlledCooling)是控制軋后鋼材的冷卻速度達到改善鋼材組織和性能的目的,是近十多年來國內外發(fā)展起來的軋鋼生產新工藝1。準確掌握控冷過程中鋼板溫度的變化是制定有效、合理的控冷工藝的關鍵。下面將以AN2SYS大型通用有限元分析軟件為平臺對中厚板軋分析基于能量守衡定律的熱平衡方程,用有限

4、元法計算各節(jié)點的溫度,并導出其他熱物理參數。鋼板在多股沖擊射流作用下的冷卻過程屬于瞬態(tài)傳熱過程。在這個過程中,系統(tǒng)的溫度、熱流率、熱邊界條件及系統(tǒng)內能都隨時間有明顯變化。根據能量守衡定律,瞬間熱平衡可表示為:=pt式中K溫度總剛度矩陣;KT+CT內部各節(jié)點的溫度矩陣;C熱容矩陣;后控冷過程的溫度變化進行有限元模擬,結合現場實際對模擬結果進行分析。1鋼板溫度場有限元模擬的基本原理4,5,6對多股集管沖擊射流作用下的鋼板進行熱分析,可以得到鋼板內部的溫度分布。ANSYS熱節(jié)點溫度變化矩陣;t作者簡介:崔乃忠,男,1969年出生,北京科技大學機械工程學院機械電子專業(yè)在讀碩士研究生21總第147期冶金

5、設備2004年10月第5期p總體節(jié)點熱載荷矩陣。于鋼板上下表面受到冷卻水射流沖擊發(fā)生換熱,表面溫度梯度比心部大,因此采用映射網格非均勻劃分,圖2為鋼板溫度場模擬的分網模型。在研究鋼板溫度場時,取鋼板縱向(長度方向)中心處的一個截面進行研究。在有限元模擬中提出以下假設:二維模型:鋼板的長度和寬度遠大于其厚度,近似看作一塊無限大平板。鋼板上下表面受冷卻水沖擊,散熱主要集中在厚度方向,板內各點溫度可看作厚度的函數。因此將中厚板簡化為二維模型,模擬其在寬度厚度平面上的溫度場分布。對稱冷卻:鋼板在冷卻過程中,上下表面同時冷卻且上下水量比為一定比值時能使上下表面冷卻均勻,因此可對鋼板進行對稱分析,其幾何模

6、型如圖1所示。圖2鋼板溫度場模擬的分網(部分)2.2施加載荷并求解從鋼板冷卻過程看,鋼板出爐前溫度均勻,出爐后是逐漸進入冷卻區(qū),又逐漸退出冷卻區(qū),其瞬時溫差還,必,根,可以假設鋼板不動,而冷卻區(qū)沿著鋼板運動的反方向以相同的速度運動。施加了這種反向運動的邊界條件,就可以得到鋼板真實的瞬態(tài)溫度場。施加熱流邊界條件時可采用表格矩陣參數法,并采用分部循環(huán)加載的策略,矩陣參數以時間和板寬方向的位置坐標為變量,從而體現換熱邊界條件在橫向和縱向的變化。對于非線性分析,每個載荷步需要多個載荷子步。時間步長的大小關系到計算的精度,步長越小,計算精度越高,同時計算的時間越長。根據線性熱傳導的傳熱原理,可以按下面的

7、公式估計初始時間步長:),其中為沿熱流方向熱梯度最大TS=/(4圖1定解條件如下:1)幾何條件0xw/2,0yh/2其中,w為鋼板寬度,h為鋼板厚度。2)初始條件t=0,T(x,y)為開冷溫度3)邊界條件A1-k|1=射流沖擊或1(Tw-Tf)n流水冷卻A2、A3-k|=0絕熱nA4-k|4=流水冷卻4(Tw-Tf)n2鋼板溫度場有限元模擬過程2.1構建模型處的單元的長度,為導溫系數,其值等于導熱系數除以密度和比熱的乘積(=k/c)。模型的構建步驟如下2,3,41)確定作業(yè)名,標題與單位制。2)進入PREP7前處理。3)設置單元類型。4)設置材料屬性。在溫度場的計算中直接應用的物性參數有材料的

8、密度、導熱系數k和比熱容cp,這些參數是溫度的函數,因此鋼板的冷卻過程是變物性的。5)創(chuàng)建幾何模型并劃分網格。在網格劃分圖3鋼板控冷過程的溫度時間歷程曲線1鋼板上表面;2距上表面1/4處;3鋼板心部時,采用4節(jié)點平面單元PLANE55較為適宜。由22崔乃忠等:基于ANSYS平臺的中厚板控冷過程的溫度場有限元模擬及分析2004年10月第5期3模擬結果及分析強度高的區(qū)域,這是由于在該兩組集管間設置了側吹裝置,將滯留在鋼板表面的水層清除,使得這兩組集管射流的換熱強度增強,從而使鋼板在此處迅速降溫的緣故。可以預見,冷卻區(qū)包含的上集管組數越多,沖擊區(qū)覆蓋鋼板的面積越大,擴大了高效冷卻區(qū)的面積,提高了冷卻

9、能力。而且要獲得理想冷卻方式,可以通過此曲線來調整冷卻制度,通過集管及其射流的合理配置,使整個冷卻過程滿足控冷工藝要求,達到改善鋼材機械性能的目的。4結論1)返紅溫度/%650680650630620640670680圖3為12m×2m×0.032m的Q345B鋼板在某高密度管層流控冷裝置實際工況下,有限元模擬得到的上表面某點和心部相應點的溫度時間歷程曲線。從圖3中可看出,模擬結果與現場實測數據非常接近(終冷:35.5s和返紅:45.5s,溫度誤差分別為2.3%和1.7%),對其他品種、規(guī)格的中厚板在不同的工況下得到的模擬結果與實測數據的誤差與圖3相仿(見表1)。這表明基于

10、有限元的數值模擬方法是可行的。表1有限元模擬結果與實測數據的誤差統(tǒng)計終冷溫度/試樣序號12345678,ANSYS的有限元數、可靠的。2)有限元模擬控冷鋼板溫度場可以對控冷板厚mm3236403535503225模擬結果鋼板熱交換過程有一個直觀的了解,對確定控冷工藝有較強的指導作用。3)數值模擬結果表明,在水冷階段,鋼板上表面的溫度變化曲線呈鋸齒型,心部溫度的降低是一個連續(xù)平穩(wěn)的過程,此時兩者溫差較大;水冷階段結束后,兩者溫度趨于一致,正是鋼板返紅的過程。參考文獻1王有銘等.鋼材的控制軋制和控制冷卻M.北京:冶還可從圖中看出,水冷階段,鋼板上表面的溫度變化呈鋸齒型,而心部溫度的降低是一個連續(xù)平

11、穩(wěn)的過程,這是由于鋼板上表面受沖擊換熱區(qū)、混合換熱區(qū)和橫向流水換熱區(qū)三種換熱載荷的周期性作用,存在溫度的不斷降低和回升,而心部溫度變化是鋼板內部導熱的結果,變化相對平緩。水冷階段結束后,鋼板表面和心部的溫度趨于一致,正是鋼板返紅的過程。從此溫度時間歷程曲線可以很清楚地看出鋼板冷卻的溫度變化過程。曲線上的一個溫度速降區(qū)域(鋸齒的下降邊),是鋼板上表面受沖擊換熱區(qū)作用的結果,也就是說,每一個溫度速降區(qū)域對應鋼板長度方向的一組集管。從圖中看到,圖下方兩組集管處存在一個比相鄰集管冷卻金工業(yè)出版社,1995.52唐興倫等.ANSYS工程應用教程M.北京:中國鐵道出版社,2003.1京:機械工業(yè)出版社,2002.44王峰麗等.中厚板控冷過程的數值模擬與冷卻變形分析J.機械工