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高速钢轧辊断裂失效的有限元分析

作　者: 梁松
导　师: 赵学友
学　校: 内蒙古科技大学
专　业: 工程力学
关键词: 工作辊高速钢 ANSYS 应力强度因子 J积分
分类号: O346.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

目前,热轧对板材的形状、厚度的要求越来越严格,一部分轧制参数可以现场实验得出,但由于热轧过程的复杂性,大多数与轧制工艺密切相关的潜在参数是测量不到的。因此获得理想轧制参数还要依靠数值模拟的计算方法。轧辊消耗是轧钢行业的消耗大户。因此,通过对热轧过程的数值模拟,为研究轧辊失效和轧辊寿命提供依据和参考。借助国际上公认的最好的有限元分析软件之一ANSYS,首先,建立了热轧板材的工作辊—轧件有限元模型,实现了热轧板材过程的有限元动态模拟,得到了工作辊工作一周后的等效应力,温度,热应力的变化曲线,得到以下结论:等效应力比较大的区域有3个,与轧件接触区、与支撑辊接触区、辊颈与辊身连接处,其中与支撑辊接触区域的等效应力变化最大,最大值为450MPa,此处更容易产生塑性区。辊颈与辊身连接处,由于受到约束较大,所以其等效应力变化最小。工作辊的温度变化比较大,最大值为480℃,最终稳定在90.25℃。轴向和环向热应力变化趋势一致,最大值987MPa左右,径向应力很小,趋势与轴向、环向应力相反。其次,以无裂纹的工作辊—轧件有限元模型为基础,在其上布置表面裂纹,求得了工作辊转动一周时间内不同时刻的应力强度因子和J积分,并分析了轧制过程中应力强度因子和J积分的变化规律。得到以下结论:应力强度因子和J积分的最值基本都出现在刚与轧件接触时,与支撑辊接触时。裂纹倾斜角对二者的影响很小,裂纹长度和载荷的大小是影响二者的主要因素。然后进行了疲劳寿命计算,通过相关理论计算和ANSYS疲劳计算进行对比,得出有裂纹的工作辊大约可工作5 600周,无裂纹的工作辊可工作200 000周,可见,裂纹对工作辊的寿命有很大的影响。最后进行了裂纹扩展的临界条件的分析,高速钢轧辊的裂纹扩展临界条件为:临界温度是420℃左右,临界载荷是420MPa左右,裂纹开裂角度为90°左右,得出的结论与经典的复合型裂纹准则相比总体误差不大。本论文的研究为提高高速钢轧辊的工作寿命和防止裂纹扩展提供了理论依据和参考意见,对实际生产具有一定的指导意义和参考价值。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-13
  1.1 轧辊失效问题简介  10
  1.2 国内外轧辊失效研究的现状  10-11
  1.3 高速钢轧辊的发展及工业应用  11-12
  1.4 本论文的主要内容  12-13
2 传热及弹塑性有限元理论与ANSYS  13-22
  2.1 轧制过程的弹塑性有限元理论  13-18
    2.1.1 弹塑性理论  13-15
    2.1.2 弹塑性问题的增量方程  15-16
    2.1.3 弹塑性增量有限元格式  16-18
  2.2 轧制过程的传热理论  18-20
    2.2.1 温度场  18
    2.2.2 导热微分方程  18-19
    2.2.3 热分析条件  19-20
    2.2.4 对流换热  20
  2.3 有限单元法简介  20-21
  2.4 有限元软件ANSYS 简介  21
  2.5 本章小结  21-22
3 工作辊温度场，应力场有限元计算分析  22-37
  3.1 热轧过程有限元建模，网格划分以及施加载荷  22-26
  3.2 模拟方案  26-27
  3.3 应力分析  27-31
  3.4 温度场分析  31-33
  3.5 热应力分析  33-35
  3.6 本章小节  35-37
4 断裂力学分析  37-50
  4.1 断裂力学基础  37-38
  4.2 断裂参量的计算  38-40
  4.3 应力场强度因子计算  40-44
    4.3.1 应力场强度因子的计算方法  41
    4.3.2 应力场强度因子影响因素  41-44
    4.3.3 应力场强度因子的幅值计算  44
  4.4 J 积分计算分析  44-49
    4.4.1 J 积分计算方法  45-46
    4.4.2 J 积分计算结果  46-48
    4.4.3 远场J 积分的确定  48-49
  4.5 本章小结  49-50
5 工作辊失效问题和疲劳计算  50-60
  5.1 失效分析简介  50-52
    5.1.1 失效分析发展状况  50-51
    5.1.2 金属构件的失效形式  51-52
  5.2 疲劳计算  52-60
    5.2.1 累积损伤理论  53-54
    5.2.2 疲劳断裂理论  54-55
    5.2.3 疲劳计算在ANSYS 中的实现  55-59
    5.2.4 计算结果及分析  59-60
  5.3 本章小结  60
6 裂纹扩展临界条件的确定  60-67
  6.1 裂纹扩展相关理论  60-62
  6.2 结果分析  62-65
  6.3 本章小结  65-67
结论  67-69
参考文献  69-71
在学研究成果  71-72
致谢  72-73
附录A J 积分命令流  73

高速钢轧辊断裂失效的有限元分析

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