用于钢轨全轧程的仿真分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于钢轨全轧程的仿真分析方法，属于钢轨的轧制生产【技术领域】。提供一种能有效的判断在各个孔型中的金属的连续变化规律、温度变化规律、应力连续变化规律的用于钢轨全轧程的仿真分析方法。在所述的仿真分析方法中，除了钢坯从出炉至运送到除鳞装置之前这个阶段的初始温度分布参数和运行时间参数由原始测量获得以外，其它参数均以现场测得的原始参数为依据，以及后序各道次的各相应参数均以上一个道次轧出料的相应参数为依据，通过加载商用有限元分析软件程序计算获得，并进行进一步仿真分析。
【专利说明】用于钢轨全轧程的仿真分析方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种仿真分板方法，尤其是涉及一种用于钢轨全轧程的仿真分析方法，属于钢轨的轧制生产【技术领域】。
【背景技术】
[0002]目前关于钢轨单道次轧制仿真的技术在国内文献上报道较多。从钢坯轧制成钢轨需要许多道次的轧制才能完成，金属在每一道次轧制所使用的孔型中不一定都能刚好充满，具体的充填程度难以预知。在进行单道次仿真分析时，对于来料的具体尺寸也是凭经验分析上一个孔型的充满程度，来拟合一个尺寸进行轧制仿真，其可靠性差。同时对温度变化引起的尺寸变化、屈服强度变化、轧制应力的变化也没有引入。因此单道次仿真分析精度与实际生产出入较大，无法满足高精度仿真分析的需要，同时也无法判断金属在各个孔型中的金属连续变化规律、温度变化规律、应力连续变化规律，具有极大的局限性。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是:提供一种能有效的判断在各个孔型中的金属的连续变化规律、温度变化规律、应力连续变化规律的用于钢轨全轧程的仿真分析方法。
[0004]为解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种用于钢轨全轧程的仿真分析方法，包括以下步骤，
[0005]a)先测量出炉钢坯横断面的初始温度分布参数，以及钢坯从出炉至运送到除鳞装置之前的运行时间参数，然后将测得的所述初始温度分布参数和所述运行时间参数输入商用有限元分析软件中，接着加载所述商用有限元分析软件程序，利用钢坯与运输辊道之间的接触传导散热、空气散热以及辐射散热的计算式仿真分析出出炉钢坯运输至除鳞装置前的断面温度参数；
[0006]b)先获取钢坯的除鳞时间，然后将步骤a获得的出炉钢坯运输至除鳞装置前的断面温度参数，以及所述的除鳞时间参数输入商用有限元分析软件中，接着加载所述商用有限元分析软件程序，利用钢坯与运输辊道的接触传热、高压水冷却散热、空气散热以及辐射散热计算式仿真分析出除鳞后的钢坯的断面温度变化参数；
[0007]c)利用所述商用有限元分析软件程序，输入步骤b获得的钢坯的断面温度曲线变化参数，加载屈服强度计算式仿真分析出经过除鳞后首次进入开坯机轧制的轧出料的断面尺寸参数，与此同时，利用轧件与轧辊的接触传热、轧辊冷却水散热、运输辊道传热以及空气散热计算式仿真分析出经过除鳞后首次进入开坯机轧制的轧出料的断面温度参数；
[0008]以此类推，分别以相邻上一道次轧出料的形状及断面温度参数，利用所述的商用有限元分析软件程序，仿真分析出下一道次轧出料的尺寸及温降参数，直至所述钢坯被轧制成成品的钢轧为此，
[0009]其中，在各个道次的仿真分析中，当轧出料在轧制过程中出现下属情况之一时，需进行网格重构，然后利用上一道次轧出料的形状及断面温度参数进行下一道次轧出料的仿真分析，
[0010]第一，出现网格畸变严重的剧烈变形，
[0011]第二，网格畸变不严重，但局部总延伸系数大于1.8或某一网格两线最小夹角小于45度，
[0012]第三，弯曲度或扭曲变形过大，致使轧出料无法进入下一道次轧辊的轧制孔型时。
[0013]进一步的是，步骤a中，出炉钢坯横断面的初始温度分布参数采用红外线测温仪手动或自动测得。
[0014]进一步的是，步骤b中，钢坯的除鳞时间通过计算或直接测量获得。
[0015]进一步的是，当需要进行网格重构时，在网格的重构过程中，将网格重构前各节点的温度映射到网格重构后的各节点上。
[0016]上述方案的优选方式是，当网格畸变严重需要重构时，重构后的断面形状应与重构前轧后件稳定轧制段横截面的形状完全一样。
[0017]进一步的是，所述的网格重构包括轮廓节点提取和轮廓节点重新排序两个工步，
[0018]在轮廓节点的提取中，首先在上一个道次轧出件的平直段上选取一小段片层，并通过该片层对应的Z坐标或片层上任一节点的编号进行识别，然后根据所述片层由两层节点组成的特点，任选一层节点作为轮廓节点，再结合轮廓节点和其它节点在拓扑关系上存在关联节点数量具有不同差异的特征，搜查出该轮廓节点，这样便完成了轮廓节点的提取工作；
[0019]在轮廓节点的重新排序中，将提取的轮廓节点保存后，再结合型钢轧制坯料模型的每个单元由8个节点组成，如果节点出现在某个单元前4列中的第N列，其中N小于4，当该节点又出现在另一单元的后4列时，则该节点的相邻节点也出现在该单元中，且该相邻节点处于第N+4列的相邻两个节点的特征，即可完成所述轮廓节点的重新排序，从而实现网格的重构。
[0020]进一步的是，在进行网格重构后生成的型钢轧制坯料模型中，除了上述的轮廓节点提取和轮廓节点重新排序外，还需要将上个道次轧出件上各节点的温度加载到型钢轧制坯料模型的对应节点上，其加载过程如下，
[0021]先构建总长度、单元长度、节点编号顺序均与上道次坯料完全相同新坯料；
[0022]然后再将上道次坯料与新构建坯料通过LS-PREP0ST进行移动拟合，而后读出移动后的两个还料信息；
[0023]最后再以上道次坯料节点为中心，将一定半径范围内节点上的温度映射到新构建的坯料上，这样便完成了型钢轧制坯料模型对应节点的温度的加载工作，
[0024]其中，所述的映射半径的长度小于2倍的上道次坯料网格的最大边长，不大于上道次坯料网格的最大边长，
[0025]温度映射采用的公式为:T= (Tl X L1+T2 X L2+...+Tn X Ln) / (L1+L2+...+Ln)
[0026]式中:
[0027]T——新构建坯料节点的温度；
[0028]T1、T2、-Tn——新构建坯料节点与上道次坯料一定半径范围内的第1、第2、…第N个节点上的温度；
[0029] L1、L2、…Ln——新构建坯料节点与上道次坯料一定半径范围内的第1、第2、…第N个节点的直线距离。
[0030]进一步的是，各步骤中，在进行以断面尺寸为代表的结构仿真计算时，采用显示积分算法；在进行温度仿真计算时，采用隐式积分算法。
[0031]进一步的是，在各个仿真轧制道次中，金属成形的临界时间步长控制在-6s?-7s之间。
[0032]进一步的是，在各个仿真轧制道次的轧制变形过程中，将塑性功转换为热的有效系数设定为0.9。
[0033]本发明的有益效果是:由于在所述的仿真分析方法中，除了钢坯从出炉至运送到除鳞装置之前这个阶段的初始温度分布参数和运行时间参数由原始测量获得以外，其它参数均以现场测得的原始参数为依据，以及后序各道次的各相应参数均以上一个道次轧出料的相应参数为依据，通过加载商用有限元分析软件程序计算获得，并进行进一步仿真分析，而不是单个轧制道次独立的进行仿真分析。从而不仅使所述的仿真分析方法能有效的判断金属在各个孔型中的连续变化规律、温度变化规律、应力连续变化规律。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1为本发明涉及到的全轧程热力耦合模拟计算流程示意图；
[0035]图2为本发明涉及到的网格重构与温度映射方法示意图；
[0036]图3为本发明涉及到的坯料断面轮廓提取示意图；
[0037]图4为本发明涉及到的高速轨温度映射示意图。
【具体实施方式】
[0038]为了解决现有技术中存在的钢轨单道次轧制仿真方法中存在的技术问题，本发明提供了一种能有效的判断在各个孔型中的金属的连续变化规律、温度变化规律、应力连续变化规律的用于钢轨全轧程的仿真分析方法。所述仿真分析方法包括以下步骤，
[0039]a)先测量出炉钢坯横断面的初始温度分布参数，以及钢坯从出炉至运送到除鳞装置之前的运行时间参数，然后将测得的所述初始温度分布参数和所述运行时间参数输入商用有限元分析软件中，接着加载所述商用有限元分析软件程序，利用钢坯与运输辊道之间的接触传导散热、空气散热以及辐射散热的计算式仿真分析出出炉钢坯运输至除鳞装置前的断面温度参数；
[0040]b)先获取钢坯的除鳞时间，然后将步骤a获得的出炉钢坯运输至除鳞装置前的断面温度参数，以及所述的除鳞时间参数输入商用有限元分析软件中，接着加载所述商用有限元分析软件程序，利用钢坯与运输辊道的接触传热、高压水冷却散热、空气散热以及辐射散热计算式仿真分析出除鳞后的钢坯的断面温度变化参数；
[0041]c)利用所述商用有限元分析软件程序，输入步骤b获得的钢坯的断面温度曲线变化参数，加载屈服强度计算式仿真分析出经过除鳞后首次进入开坯机轧制的轧出料的断面尺寸参数，与此同时，利用轧件与轧辊的接触传热、轧辊冷却水散热、运输辊道传热以及空气散热计算式仿真分析出经过除鳞后首次进入开坯机轧制的轧出料的断面温度参数；
[0042]以此类推，分别以相邻上一道次轧出料的形状及断面温度参数，利用所述的商用有限元分析软件程序，仿真分析出下一道次轧出料的尺寸及温降参数，直至所述钢坯被轧制成成品的钢轧为此，
[0043]其中，在各个道次的仿真分析中，当轧出料在轧制过程中出现下属情况之一时，需进行钢格重构，然后利用上一道次轧出料的形状及断面温度参数进行下一道次轧出料的仿真分析，
[0044]第一，出现网格畸变严重的剧烈变形，
[0045]第二，网格畸变不严重,但局部总延伸系数大于1.8或某一网格两线最小夹角小于45度，
[0046]第三，弯曲度或扭曲变形过大，致使轧出料无法进入下一道次轧辊的轧制孔时。
[0047]由于在所述的仿真分析方法中，除了钢坯从出炉至运送到除鳞装置之前这个阶段的初始温度分布参数和运行时间参数由原始测量获得以外，其它参数均以现场测得的原始参数为依据，以及后序各道次的各相应参数均以上一个道次轧出料的相应参数为依据，通过加载商用有限元分析软件程序计算获得，并进行进一步仿真分析，而不是单个轧制道次独立的进行仿真分析。从而不仅使所述的仿真分析方法能有效的判断金属在各个孔型中的连续变化规律、温度变化规律、应力连续变化规律。
[0048]借鉴现有技术中获取钢坯原始参数的方法，在本发明的步骤a中，出炉钢坯横断面的初始温度分布参数采用红外线测温仪手动或自动测得；步骤b中，钢坯的除鳞时间通过计算或直接测量获得。同时，为了便于对轧出料的网格的重构，当需要进行网格重构时，在网格的重构过程中，将网格重构前各节点的温度映射到网格重构后的各节点上,而且保证重构后的网格的形状与切深孔轧后件稳定轧制段横截的形状完全一样。
[0049]如图2、图3以及图4所示，本发明所述的网格重构包括轮廓节点提取和轮廓节点重新排序两个工步，
[0050]在轮廓节点的提取中，首先在上一个道次轧出件的平直段上选取一小段片层，并通过该片层对应的Z坐标或片层上任一节点的编号进行识别，然后根据所述片层由两层节点组成的特点，任选一层节点作为轮廓节点，再结合轮廓节点和其它节点在拓扑关系上存在关联节点数量具有不同差异的特征，搜查出该轮廓节点，这样便完成了轮廓节点的提取工作；
[0051]在轮廓节点的重新排序中，将提取的轮廓节点保存后，再结合型钢轧制坯料模型的每个单元由8个节点组成，如果节点出现在某个单元前4列中的第N列，其中N小于4，当该节点又出现在另一单元的后4列时，则该节点的相邻节点也出现在该单元中，且该相邻节点处于第N+4列的相邻两个节点的特征，即可完成所述轮廓节点的重新排序，从而实现网格的重构。
[0052]而且在进行网格重构后生成的型钢轧制坯料模型中，除了上述的轮廓节点提取和轮廓节点重新排序外，还需要将上个道次轧出件上各节点的温度加载到型钢轧制坯料模型的对应节点上，其加载过程如下，
[0053]先构建总长度、单元长度、节点编号顺序均与上道次坯料完全相同新坯料；
[0054]然后再将上道次坯料与新构建坯料通过LS-PREP0ST进行移动拟合，而后读出移动后的两个还料信息；
[0055]最后再以上道次坯料节点为中心，将一定半径范围内节点上的温度映射到新构建的坯料上，这样便完成了型钢轧制坯料模型对应节点的温度的加载工作，
[0056]其中，所述的映射半径的长度小于2倍的上道次坯料网格的最大边长，不大于上道次坯料网格的最大边长，
[0057]温度映射采用的公式为:T= (Tl XL1+T2XL2+...+TnXLn) / (L1+L2+...+Ln)
[0058]式中:
[0059]T——新构建坯料节点的温度；
[0060]T1、T2、-Tn——新构建坯料节点与上道次坯料一定半径范围内的第1、第2、…第N个节点上的温度；
[0061]L1、L2、…Ln——新构建坯料节点与上道次坯料一定半径范围内的第1、第2、…第N个节点的直线距离。
[0062]如图1所示，为了使本发明仿真分析方法各步骤的计算更接近实际，各步骤中，在进行以断面尺寸为代表的结构仿真计算时，采用显示积分算法；在进行温度仿真计算时，采用隐式积分算法；在各个仿真轧制道次中，金属成形的临界时间步长控制在-6s~-7s之间；在各个仿真轧制道次的轧制变形过程中，将塑性功转换为热的有效系数设定为0.9。
[0063]实施例一
[0064]下面以某型号钢轨轧制过程工艺参数及相关轧制现场实际数据为例，对本发明用于钢轨全轧程的仿真分析方法进行进一步的说明，并对轧制过程中的模拟进行分段描述。如表1所示，为某型号钢轨开坯轧制程序表；如表2所示，为某型号钢轨万能轧制程序表。
[0065]表1为某型号钢轨开还轧制程序表
[0066]
【权利要求】
1.一种用于钢轨全轧程的仿真分析方法，其特征在于:包括以下步骤， a)先测量出炉钢坯横断面的初始温度分布参数，以及钢坯从出炉至运送到除鳞装置之前的运行时间参数，然后将测得的所述初始温度分布参数和所述运行时间参数输入商用有限元分析软件中，接着加载所述商用有限元分析软件程序，利用钢坯与运输辊道之间的接触传导散热、空气散热以及辐射散热的计算式仿真分析出出炉钢坯运输至除鳞装置前的断面温度参数； b)先获取钢坯的除鳞时间，然后将步骤a获得的出炉钢坯运输至除鳞装置前的断面温度参数，以及所述的除鳞时间参数输入商用有限元分析软件中，接着加载所述商用有限元分析软件程序，利用钢坯与运输辊道的接触传热、高压水冷却散热、空气散热以及辐射散热计算式仿真分析出除鳞后的钢坯的断面温度变化参数； c)利用所述商用有限元分析软件程序，输入步骤b获得的钢坯的断面温度曲线变化参数，加载屈服强度计算式，仿真分析出经过除鳞后首次进入开坯机轧制的轧出料的断面尺寸参数，与此同时，利用轧件与轧辊的接触传热、轧辊冷却水散热、运输辊道传热以及空气散热计算式，仿真分析出经过除鳞后首次进入开坯机轧制的轧出料的断面温度参数； 以此类推，分别以相邻上一道次轧出料的形状及断面温度参数，利用所述的商用有限元分析软件程序，仿真分析出下一道次轧出料的尺寸及温降参数，直至所述钢坯被轧制成成品的钢轧为此， 其中，在各个道次的仿真分析中，当轧出料在轧制过程中出现下属情况之一时，需进行网格重构，然后利用上一道次轧出料的形状及断面温度参数进行下一道次轧出料的仿真分析， 第一，出现网格畸变严重的剧烈变形， 第二，网格畸变不严重，但局部总延伸系数大于1.8或某一网格两线最小夹角小于45度， 第三，弯曲度或扭曲变形过大，致使轧出料无法进入下一道次轧辊的轧制孔型时。
2.根据权利要求1所述的用于钢轨全轧程的仿真分析方法，其特征在于:步骤a中，出炉钢坯横断面的初始温度分布参数采用红外线测温仪手动或自动测得。
3.根据权利要求1所述的用于钢轨全轧程的仿真分析方法，其特征在于:步骤b中，钢坯的除鳞时间通过计算或直接测量获得。
4.根据权利要求1所述的用于钢轨全轧程的仿真分析方法，其特征在于:当需要进行网格重构时，在网格的重构过程中，将网格重构前各节点的温度映射到网格重构后的各节点上。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的用于钢轨全轧程的仿真分析方法，其特征在于:当网格畸变严重需要重构时，重构后的断面形状应与重构前轧后件稳定轧制段横截面的形状完全一样。
6.根据权利要求5所述的用于钢轨全轧程的仿真分析方法，其特征在于:所述的网格重构包括轮廓节点提取和轮廓节点重新排序两个工步， 在轮廓节点的提取中，首先在上一个道次轧出件的平直段上选取一小段片层，并通过该片层对应的Z坐标或片层上任一节点的编号进行识别，然后根据所述片层由两层节点组成的特点，任选一层节点作为轮廓节点，再结合轮廓节点和其它节点在拓扑关系上存在关联节点数量具有不同差异的特征，搜查出该轮廓节点，这样便完成了轮廓节点的提取工作； 在轮廓节点的重新排序中，将提取的轮廓节点保存后，再结合型钢轧制坯料模型的每个单元由8个节点组成,如果节点出现在某个单元前4列中的第N列,其中N小于4,当该节点又出现在另一单元的后4列时，则该节点的相邻节点也出现在该单元中，且该相邻节点处于第N+4列的相邻两个节点的特征，即可完成所述轮廓节点的重新排序，从而实现网格的重构。
7.根据权利要求6所述的用于钢轨全轧程的仿真分析方法，其特征在于:在进行网格重构后生成的型钢轧制坯料模型中，除了上述的轮廓节点提取和轮廓节点重新排序外，还需要将上个道次轧出件上各节点的温度加载到型钢轧制坯料模型的对应节点上，其加载过程如下， 先构建总长度、单元长度、节点编号顺序均与上道次坯料完全相同新坯料； 然后再将上道次坯料与新构建坯料通过LS-PREPOST进行移动拟合，而后读出移动后的两个坯料信息； 最后再以上道次坯料节点为中心，将一定半径范围内节点上的温度映射到新构建的坯料上，这样便完成了型钢轧制坯料模型对应节点的温度的加载工作， 其中，所述的映射半径的长度小于2倍的上道次坯料网格的最大边长，不大于上道次坯料网格的最大边长，
温度映射采用的公式为:T = (Tl X L1+T2 X L2+...+Tn X Ln) / (L1+L2+...+Ln) 式中: T——新构建坯料节点的温度； T1、T2、-Tn——新构建坯料节点与上道次坯料一定半径范围内的第1、第2、…第N个节点上的温度； L1、L2、…Ln——新构建坯料节点与上道次坯料一定半径范围内的第1、第2、…第N个节点的直线距离。
8.根据权利要求1所述的用于钢轨全轧程的仿真分析方法，其特征在于:各步骤中，在进行以断面尺寸为代表的结构仿真计算时，采用显示积分算法；在进行温度仿真计算时，采用隐式积分算法。
9.根据权利要求8所述的用于钢轨全轧程的仿真分析方法，其特征在于:在各个仿真轧制道次中，金属成形的临界时间步长控制在-6s~-7s之间。
10.根据权利要求8所述的用于钢轨全轧程的仿真分析方法，其特征在于:在各个仿真轧制道次的轧制变形过程中，将塑性功转换为热的有效系数设定为0.9。
【文档编号】G06F17/50GK104077461SQ201410350332
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2014年7月22日
【发明者】陶功明, 朱国明, 王彥中, 李波, 朱华林, 吕攀峰 申请人:攀钢集团攀枝花钢钒有限公司