基于热力耦合的铸轧辊弹性变形数值模拟

论文摘要

铝板坯连续铸轧是一种高效、节能、环保工艺,铸轧辊是此系统的核心部件。随着铝板坯连续铸轧工艺向提速与减薄方向发展,铸轧板板形问题日益突出。本文以计算分析铸轧辊弹性变形为研究目标,根据铝板坯铸轧工艺和铸轧辊的特点,通过理论推导、数值仿真、优化拟合和实验验证等手段,结合非线性热力耦合有限元理论,计算分析铸轧辊热力耦合弹性变形,为铸轧辊最佳原始辊型的确定提供依据,为板形控制提供理论参考。全文的研究工作内容和论文结构如下:针对铝板坯铸轧工艺和铸轧辊的特点,系统地研究了铸轧辊变形计算分析理论的国内外动态,并简单评析。根据铸轧工艺的特殊性和铸轧辊本身的特点,考虑温度载荷的影响,建立了铸轧辊变形热力耦合计算分析模型;对于铸轧辊与板坯之间存在相对运动和接触问题,设计了动态边界条件的接触判据,采用了轧辊-板坯动态接触边界的自动处理算法,有效地提高了接触搜索的计算效率;在非线性热力耦合有限元理论基础上,耦合分析温度载荷—变形之间的相互影响;体现了铝板坯铸轧过程为材料非线性、几何非线性和接触非线性的大变形。确定了计算铸轧辊变形关键的边界条件;计算得到了铸轧力分布规律,分析了工艺参数对铸轧力的影响。分析计算了铸轧辊弹性变形和弹性压扁,得到了原始辊型;分析了工艺参数对铸轧辊弹性变形的影响;为铸轧辊的设计、加工和板形控制提供数据参考、理论依据。考虑生产实践中可能面对的各种实际问题而进行铸轧辊原始辊型优化和拟合,得到了最佳原始辊型;为铸轧辊的设计、加工提供数据参考、理论依据。应用非接触测量技术,设计了辊型曲线、铸轧辊变形和温度场的测试方案,现场实测结果与仿真计算结果比较吻合,验证了本文分析计算模型的正确性和模拟方法可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表（特别说明的除外）
• 第一章 文献综述
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 铝板坯快速铸轧技术简介
• 1.1.2 铸轧辊变形特点
• 1.2 轧辊变形研究历史与现状
• 1.2.1 轧辊弹性变形理论研究现状
• 1.2.2 铸轧辊变形理论及计算方法研究现状
• 1.2.3 热力耦合分析研究进展
• 1.2.4 关于接触问题分析方法
• 1.3 本文研究意义和研究内容
• 1.3.1 研究意义
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 研究方法和路线
• 第二章 铸轧辊变形热力耦合模型研究
• 2.1 建模基础
• 2.1.1 基本假设
• 2.1.2 铸轧辊-板坯物理模型
• 2.1.3 铸轧辊-板坯几何模型
• 2.1.4 轧制区变形抗力和铸轧力分布分析计算
• 2.1.5 辊套应力场的计算模型
• 2.1.6 温度载荷模型
• 2.1.7 摩擦条件的处理
• 2.2 轧辊-板坯辊芯-辊套间接触问题
• 2.2.1 轧辊-板坯辊芯-辊套间接触计算
• 2.2.2 轧辊-板坯动态接触边界的自动处理算法
• 2.2.3 动态接触边界的自动处理方法算法
• 2.2.4 程序实现
• 2.2.5 初始接触搜索区域的确定
• 2.3 不连续区域的处理
• 2.4 铸轧辊弹性压扁
• 2.5 铸轧辊变形的热力耦合模型
• 2.6 本章小结
• 第三章 铸轧辊弹性变形热力耦合有限元分析
• 3.1 铸轧区流动凝固传热过程的数学描述
• 3.1.1 质量方程
• 3.1.2 动量方程
• 3.1.3 能量方程
• 3.2 铸轧辊热载荷
• 3.3 辊套温度场计算模型
• 3.4 铸轧辊受力情况
• 3.5 热力耦合有限元方法
• 3.5.1 热应力与热应变
• 3.5.2 热力平衡分方程
• 3.5.3 热力耦合有限元列式
• 3.5.4 温度场与应变场的耦合数值计算列式
• 3.5.5 热力耦合方程的迭代求解
• 3.5.6 热力耦合迭代收敛判据
• 3.6 材料特性及几个重要问题的处理
• 3.7 模拟参数的确定
• 3.8 本章小结
• 第四章 铸轧辊弹性变形数值模拟计算分析
• 4.1 前处理
• 4.2 铸轧辊变形有限元分析模型
• 4.2.1 铸轧辊变形热力耦合有限元分析模型
• 4.2.2 模拟参数的确定
• 4.3 铸轧辊变形分析
• 4.3.1 温度场的模拟和影响分析
• 4.3.2 铸轧力分布仿真计算
• 4.3.3 铸轧速度、板坯厚度、辊径和温度对铸轧区铸轧力的影响分析
• 4.3.4 铸轧速度、板坯厚度、辊径对铸轧辊应力的影响分析
• 4.3.5 铸轧辊变形的工艺参数影响分析
• 4.3.6 不同辊套材料对铸轧辊变形的影响分析
• 4.3.7 辊芯结构对铸轧辊变形的影响分析
• 4.3.8 铸轧辊弹性压扁数值模拟
• 4.3.9 铸轧辊弹性变形（力辊型）辊型曲线的获得
• 4.4 辊芯辊套结合面的应力对辊芯辊套配合联接的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于铸轧辊弹性变形的铸轧辊辊型优化
• 5.1 优化目标的提出
• 5.2 选取优化变量
• 5.3 确定优化目标函数
• 5.4 多目标模糊优化
• 5.5 多目标模糊优化的关键技术实现
• 5.6 建立基于铸轧辊弹性变形的多目标模糊优化数学模型
• 5.7 优化辊型的曲线拟合
• 5.8 本章小结
• 第六章 铸轧辊弹性变形实验研究
• 6.1 辊型测试
• 6.1.1 实验条件
• 6.1.2 方案设计
• 6.1.3 测量系统原理结构图
• 6.1.4 铸轧辊辊型测量的实际应用
• 6.2 铸轧辊变形测试
• 6.2.1 测量原理及方法
• 6.2.2 误差分析
• 6.2.3 现场工业测试应用
• 6.3 温度测试
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文总结
• 7.1 全文总结
• 7.2 主要创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间主要的科研成果