автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка и практическое применение метода анализа напряженно-деформированного состояния металла для процессов горячей сортовой прокатки

<

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ (ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) И МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

РАЗРАБОТКА И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА АНАЛИЗА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛА ДЛЯ ПРОЦЕССОВ ГОРЯЧЕЙ СОРТОВОЙ ПРОКАТКИ.

Специальность 05.03.05 Процессы и машины обработки давлением

На правах рукописи

МАШКОВА Надежда Николаевна

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители

профессор, доктор технических наук

доктор технических наук

Е.Н. Чумаченко

В.С. Лисин

Москва -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение. .............................................................................................................. 4

1. Обзор существующих моделей прокатки........................................................... 6

1.1. Эмпирические и статистические методы.................................................... 7

1.2. Методы, позволяющие свести расчет деформации полосы в калибре к расчету прокатки в гладких валках.................................................................. 9

1.3. Модели прокатки, основанные на уравнениях механики сплошной среды.... 10

1.3.1. Модели, основанные на решении упрощенных дифференциальных уравнений равновесия................................................................................... 10

1.3.2. Модели, основанные на методе характеристик и методе функций тока...... 12

1.3.3. Применение вариационных принципов в теории пластичности............ 18

1.3.4. Численные методы, используемые при решении задач ОМД........... 27

1.3.5. Моделирование процесса^ прокатки с использованием метода конечных элементов............................................................................................... 32

1.4. Выводы. Постановка задачи исследования................................................ 37

2. Методика расчета деформационных и энергосиловых параметров прокатки сортовых профилей................................................................................................ 39

2.1. Математическая модель формоизменения металлов, обладающих скоростной чувствительностью................................................................................. 39

2.2. Основные соотношения метода конечных элементов (МКЭ) для объёмной задачи........................................................................................................... 43

2.3. Основные допущения, принимаемые при физической постановке задачи сортовой прокатки............................................................................................. 47

2.4. Алгоритм построения пространственного напряженно-деформированного состояния для элемента очага деформации............................................................. 54

2.5. Соотношения МКЭ для обобщенной задачи.............................................. 57

2.6. Факторы, влияющие на процесс прокатки в калибрах:.............................. 65

2.6.1. Вычисление нейтрального сечения...................................................... 65

2.6.2. Учет подпора рассматриваемого сечения со стороны соседних сечений.................................................................................................................. 70

2.6.3. Изменение контура сечений валка в зависимости от координаты плоскости сечения очага деформации. Определение координаты 2 — 1д точки захвата металла валками.................................................................... 77

2.6.4. Вычисление скоростей движения точек контактной поверхности с учетом пошагового изменения контура...................................................... 82

2.7. Граничные условия при решении задач прокатки..................................... 83

2.8. Вычисление продольной скорости сечений полосы.................................. 90

2.9. Задание механических свойств металлов и сплавов при горячей обработке давлением...................................................................................................... 95

2.10. Определение усилия и момента прокатки................................................ 101

2.11. Выводы.......................................................................................................... 104

3. Структура и функциональные возможности пакета SPLEN-S (Rolling)......... 105

3.1. Препроцессор пакета SPLEN-S (Rolling).................................................... 105

3.2. Ядро пакета SPLEN-S (Rolling).................................................................... 109

3.3. Постпроцессор пакета SPLEN-S (Rolling).................................................. 112

3.4. Выводы............................................................................................................ 117

4. Моделирование и анализ процесса прокатки с использованием комплекса

программ SPLEN-S (Rolling)................................................................................. 118

4.1. Исследование влияния количества элементов разбиения очага деформации на точность вычислений............................................................................ 118

4.2. Влияние выбора нейтрального сечения на точность моделирования............. 120

4.3. Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных показателей формоизменения при прокатке в гладких валках, полученных на лабораторном стане МГМИ............................................................................................... 127

4.4. Оценка адекватности модели реальному процессу на основе экспериментально-промышленных данных о сортовой прокатке................................... 130

4.5. Анализ возможностей пакета программ SPLEN-S (Rolling) в сравнении с программой трехмерного моделирования прокатки в калибрах SHPROL. . 136

4.6. Влияние условий прокатки на формоизменение, кинематику течения и напряженное состояние металла...................................................................... 146

4.7. Выводы............................................................................................................ 169

5. Применение пакета SPLEN-S (Rolling) для анализа и совершенствования

промышленных калибровок валков...................................................................... 169

5.1. Анализ и изменение новой промышленной калибровки стана 320/250 завода "Серп и Молот" с целью получения качественного профиля.............. 169

5.2. Результаты опытно-промышленного опробования вычислительной системы на Магнитогорском металлургическом комбинате............................... 181

5.3. Выводы............................................................................................................ 182

6. Выводы.................................................................................................................. 183

7. Список литературы............................................................................................... 185

Приложения........................................................................................................... 195

4

ВВЕДЕНИЕ

В условиях современного рынка и конкуренции между предприятиями все большее внимание уделяется расширению и совершенствованию структуры профильного и марочного сортамента проката и повышению его качества, наиболее полному использованию возможностей установленного оборудования. Все чаще возникает необходимость в производстве малых партии проката, новые для отечественных прокатных цехов, требующих модернизации существующих и разработки новых калибровок. Обширного экспериментирования требуют также процессы, использующие новые материалы, формы калибров, высокую скорость прокатки. При разработке технологических процессов возникает потребность прогнозирования поведения конкретных материалов при конкретных условиях горячей пластической деформации. В целях выпуска качественной продукции и научных исследований процесса возникает необходимость в знании возникающих в процессе прокатки в калибрах распределения деформации, скоростей деформации, напряжений, температуры.

Промышленные экспериментальные исследования в этой области чрезвычайно дорогостоящи, и почти всегда требуют прерывания производственного процесса и привлечения специальной техники. Значительная трудоемкость таких исследований и малочисленность имеющихся в литературе экспериментальных данных по прокатке в калибрах замедляет и делает более дорогой разработку новых технологических процессов и усовершенствование существующих. Более того, экспериментальное получение распределения напряжений и скоростей деформации по толщине раската вызывает большие затруднения.

Одно из решений этой проблемы лежит в создании компьютерной системы, моделирующей процесс деформирования металла при прокатке в калибрах. Организация вычислительного эксперимента, с одной стороны, уменьшает время принятия технологического решения, с другой стороны, позволяет избежать трудоемких и дорогостоящих промышленных экспериментов, связанных с уточнением технологии, и, уже на стадии проектирования, выявить возможные дефекты формы, степень проработки металла. Тем самым проектный технологический процесс может быть максимально приближен к рабочему.

Широкое распространение персональной вычислительной техники породило значительный рост количества работ в области разработки математических методов моделирования и создания различных моделей процессов обработки металлов давлением, в том числе и процесса прокатки в калибрах. Однако, как показал обзор работ в этой области, существующие модели прокатки в калибрах либо существенно упрощают про-

цессы, происходящие в очаге деформации, и не дают в достаточном объеме необходимую информацию о дифференциальных характеристиках напряженно-деформированного состояния, либо требуют для реализации вычислений слишком много времени, мощной и дорогостоящей вычислительной техники, что существенно ограничивает возможности проведения вычислительных экспериментов, научных исследований и использования непосредственно в условиях производства.

Таким образом, становится актуальной разработка математической модели прокатки ,в калибрах, наиболее полно и адекватно отражающей процессы, протекающие в деформируемой полосе. При этом возникает потребность в компьютерных программах, отличающихся повышенным быстродействием, учитывающих особенности элементов калибра и задаваемого в него сечения, предназначенных для анализа явлений, происходящих в очаге деформации, а также для проектирования новых систем калибров в условиях калибровочного бюро сортопрокатного цеха.

В данной работе предложена модификация полуаналитического метода конечных элементов для решения объемной задачи прокатки и алгоритм построения пространственного напряженно-деформированного состояния полосы в очаге деформации при установившемся режиме прокатки в калибрах. Модель реализована в виде вычислительной системы, прогнозирующей формоизменение и напряженно-деформированное состояние металла в очаге деформации при прокатке в калибрах произвольной формы.

Достоверность основных положений диссертации обеспечена строгостью постановки задачи и применением современных обоснованных вычислительных методов и средств; подтверждается сравнением результатов расчета с результатами экспериментальных исследований и промышленными данными; сопоставлением полученных решений с результатами решения подобных задач другими авторами; практическим применением системы в промышленности.

В заключении автор считает необходимым выразить свою глубокую признательность профессору, доктору технических наук Чумаченко E.H. за научное руководство при написании работы, а также доценту Шишко В.Б. за консультативное участие в работе. Автор выражает искреннюю признательность коллективу кафедры Теоретической механики и её руководителю профессору Скороходову А.Н. за ценные практические замечания при обсуждении данной работы, а также коллективу сортопрокатного цеха завода "Серп и Молот" за помощь и внимание при выполнении работы.

Глава 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МОДЕЛЕЙ ПРОКАТКИ

При разработке новой калибровки всегда стоит задача точного соблюдения геометрических размеров и характеристик продукции, получение результата с рациональным распределением нагрузки на клети.

На получаемый результат влияние оказывает большое количество факторов. Это и форма заготовки и калибра, марка стали, диаметр и материал валков, подпор и натяжение металла при непрерывной прокатке металла, температура, скорость прокатки и другие.

Перед разработчиками технологических процессов всегда стоял вопрос предварительного прогнозирования поведения конкретных материалов при конкретных схемах горячей пластической деформации. В работах О.Зенкевича, Н.Н.Малинина, К.И.Романова, Г .Я.Гуна, В.С.Берковского, МЛ.Бровмана и др [1-6] были убедительно показаны необходимость и преимущества применения теоретических методов расчета формоизменения и напряженно-деформированного состояния металла и продемонстрирован тот большой объём новой информации, которую можно получить с использованием численных алгоритмов и быстродействующей вычислительной техники.

Существующие методики расчета формоизменения прокатки в калибрах базируются на статистически обработанном экспериментальном материале и зависимостях, полученных в лабораторных и промышленных условиях, а также уравнениях с введенными в них коэффициентами, вносящими поправку в зависимости от трения, формы полосы и калибра, свойств материала и др.

В работе Чижикова Ю.М. [7] описаны возможности лабораторных экспериментальных исследований, позволяющих определять качественные закономерности. Однако, он же указывает на необходимость производственных экспериментов в реальных условиях прокатного стана при определении численных значений искомых величин. При всех достоинствах экспериментальных методов исследования процесса, они все-таки являются достаточно дорогостоящими и трудоемкими, затруднительно точное воспроизведение условий эксперимента и осуществление замеров, особенно в производственных условиях. Более того, при проведении промышленных экспериментов тормозится работа высокопроизводительных станов, невозможно получение результатов в широком диапазоне варьируемых параметров.

Заметим, что зависимости и коэффициенты, полученные в условиях одного стана (завода) не всегда работают в условиях другого и, следовательно, имеют ограниченное применение.

Появление новых материалов, создание новых типов прокатных станов, повышение скорости прокатки, появление различных вспомогательных устройств дает возможность

прокатывать металл в нетрадиционных системах калибров. При расчете таких малоисследованных систем калибров, при совершенствовании процесса формоизменения за счет рационализации формы калибров путем варьирования элементов калибра, теоретическое исследование становится просто необходимым.

Освоение новых калибровок, рассчитанных без надежных предварительных данных, связано с многократными опробованиями, корректировками и экспериментами в производственных условиях. Наличие же теоретических решений может не только исключить непроизводительные затраты и сократить время принятия технологических решений, но и позволит согласовать эффективность технологии с техническими возможностями прокатных станов. Более того, знание полей распределения напряжений, деформаций и скоростей деформаций по объёму тела дает возможность определить не только форму и размеры очага деформации, но и проанализировать возможность деформируемости металла без разрушения.

При исследовании процесса прокатки в калибрах и создании новых или модернизации старых систем калибров необходимо знать энергосиловые параметры, а также интегральные и дифференциальные характеристики напряжённо-деформированного состояния металла в очаге деформации. Таким образом, актуальна разработка математической модели прокатки в калибрах, наиболее полно и адекватно отражающей процессы, протекающие в деформируемой полосе. При этом возникает потребность в компьютерных программах отличающихся повышенным быстродействием, предназначенных для анализа явлений, происходящих в очаге деформации, а также для проектирования новых систем калибров, учитывающих особенности элементов калибра и задаваемого в него сечения.

Рассмотрим основные методы моделирования и подходы к созданию моделей процессов ОМД и, в частности, процесса прокатки в калибрах.

1.1. Эмпирические и статистические методы

В начальные периоды развития науки о калибровке валков разрабатывались и применялись преимущественно эмпирические методы. Основанные на исследовании и обобщении накопленного опыта создания калибровок валков графики и эмпирические формулы для определения коэффициента вытяжки, уширения и энергосиловых параметров при прокатке по различным системам калибров разрабатывались как зарубежными учеными Л. Жезом, Е. Кирхбергом, Е. Зибелем, В. Тафелем, X. Хоффом, Т. Далем и другими, так и отечественными учеными М.В.Врацким, А.П.Виноградовым, Л.С.Гельдерманом и другими.

Некоторые эмпирические методы расчета калибровок находят применение в настоящее время. В частности, методы расчета калибровок валков А.П. Чекмарева, М.С.

Мутьева, P.A. Машковцева [8], Б.Б. Диомидова и Н.В. Литовченко [9], основанные на использовании построенных авторами эмпирических графиков для определения уширения, размеров калибров в зависимости от различных технологических параметров.

В работах ПЛ.Полухина и А.Хензеля [10] рекомендованы эмпирические зависимости для определения коэффициентов уширения и вытяжки в функциях сомножителей, учитывающих влияние свойств прокатываемого материала, температуры, скорости, коэффициента трения и вида смазки, а также отношения радиуса валков к высоте полосы после прокатки. Эмпирические методы расчета формоизменения при прокатке ромб—ромб, ромб—квадрат, квадрат—овал, овал—кру�