一种基于有限元热力耦合的型钢断面热形状尺寸设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于热轧型钢技术领域，涉及孔型设计中型钢成品断面尺寸设计方法，具 体涉及一种基于有限元热力耦合的型钢断面热形状尺寸设计方法。
【背景技术】
[0002] 型钢成品断面热形状尺寸的设计是型钢孔型设计的重要环节，属热轧型钢技术领 域。型钢热轧后，乳件具有一定温度，且断面温度不均匀，对成品尺寸和断面形状存在影响， 使得成品断面的冷热形状尺寸不一致，而正确设计成品断面热形状尺寸是进行成品孔型设 计的重要依据，也是获得尺寸合格的型钢产品的重要保障。
[0003] 目前，型钢孔型设计中，对热断面形状的设计主要采用经验值法，运用简单的线性 经验公式计算型钢成品断面热形状尺寸。由于温度对尺寸的影响具有复杂的非线性，经验 计算精度低，不能充分反应温度对断面各个热尺寸的影响，而且无法计算局部的细节尺寸， 尤其对于复杂断面的异型钢，由于热轧后各部位温度不均匀，在冷却过程中，各部位的冷却 条件也不同（各部位与周围环境的对流与辐射换热不同、各部位之间也存在辐射换热），造 成温度对形状、尺寸的影响显著。
[0004] 为了充分反应温度对型钢形状、尺寸的影响，正确设计型钢成品断面热形状尺寸， 需要提出一种计算精度高、简便的型钢成品断面热形状尺寸设计方法，而运用有限元法设 计型钢成品断面热形状尺寸的相关资料还未有公开。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种基于有限元热力耦合的型钢断面热形状尺 寸设计方法，简便实用，计算精度高，缩短设计周期。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种基于有限元热力耦合的型钢断面 热形状尺寸设计方法，包括下述步骤：
[0007] (1)对型钢材料进行热物理性能实验，获得有限元热力耦合分析所需要的热物理 性能参数；
[0008] (2)型钢冷断面建模：根据型钢成品的形状、尺寸及其公差要求，运用2D/3D建模 软件建立型钢冷断面模型；
[0009] (3)型钢材料属性赋值：根据有限元软件的要求及步骤⑴中得到的热物理性能 参数，对型钢的材料属性进行赋值；
[0010] (4)型钢冷断面有限元分析模型的建立：将型钢冷断面模型导入到有限元软件 中，设置单元类型后，进行网格划分，建立型钢冷断面的有限元分析模型；
[0011] (5)热力耦合分析：将型钢热轧后的冷却过程等效成加热过程，根据实际的终轧 温度，选取型钢外表面单元节点进行热源加载，并设定边界条件和初始条件，然后利用有限 元软件对型钢断面的加热过程进行热力耦合分析；
[0012] (6)对热力耦合分析结果进行后处理，获得在终轧温度下，型钢断面的各单元节点 的应变，尤其是外形轮廓上的单元节点的应变；
[0013] (7)根据型钢断面的外形轮廓上单元节点热应变后的位置，绘制型钢热断面，得到 型钢断面热形状尺寸。
[0014] 其中，所述步骤（1)中获得的热物理性能参数包括弹性模量、比热、导热系数及热 膨胀系数。
[0015] 其中，所述步骤（2)中选用的建模软件为CAD软件，且由于型钢沿长度方向上的温 度及形状尺寸的变化近似均匀，只对型钢的任一断面进行建模。
[0016] 其中，所述步骤（5)中将型钢热轧后的冷却过程等效成加热过程，是指将热轧后 冷却过程中型钢断面的收缩作为型钢加热到终轧温度断面膨胀的逆过程。
[0017] 其中，所述步骤（5)中的终轧温度、边界条件及初始条件由生产现场具体的冷却 工艺和乳制工艺而定。
[0018] 其中，所述步骤（4)中网格划分遵循如下原则：根据终轧后相近温度区域及冷却 条件，将型钢冷断面进行分割，划分为多个面，同一面中具有相近终轧温度及冷却条件；为 保证网格均匀性和模拟准确，尽可能多的划分为多个规则的面，对规则的面进行映射划分， 对不规则的面进行自由划分；并且对圆角、拐角及温度梯度较大位置的网格进行细化；
[0019] 所述步骤（5)中，根据步骤（4)中划分的面，同一面的型钢外表面单元节点进行相 同温度的热源加载、相同边界条件和初始条件设置。
[0020] 本发明的上述技术方案的有益效果如下：
[0021] 本发明将型钢热轧后的冷却过程等效成型钢的加热过程，基于有限元热力耦合分 析，由型钢断面冷形状尺寸得到热形状尺寸，该方法充分考虑温度对型钢形状、尺寸的影 响，改善了目前经验公式的计算不精确等弊端。本发明在热轧型钢产品的开发过程中，可提 高孔型设计的准确性和产品开发的一次成功率，缩短产品的开发周期，进而降低开发成本， 提尚经济性。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明的设计方法流程图；
[0023] 图2为本发明实施例一中型钢冷断面模型图；
[0024] 图3为本发明实施例一中型钢冷断面网格划分后的有限元模型图；
[0025] 图4为本发明实施例一中热力耦合分析后型钢断面的温度场示意图；
[0026] 图5为本发明实施例一中型钢冷、热断面对比图；
[0027] 图6为本发明实施例一中型钢断面上各单元节点位置图；
[0028] 图7为本发明实施例一中型钢断面的外形轮廓上各单元节点的热应变位移值；
[0029] 图8为本发明实施例一中型钢热断面的结构示意图。
【具体实施方式】
[0030] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具 体实施例进行详细描述。
[0031] 如图1所示，一种基于有限元热力耦合的型钢断面热形状尺寸设计方法，包括下 述步骤：
[0032] (1)对型钢材料进行热物理性能实验，获得有限元热力耦合分析所需要的材料密 度、泊松比、随温度变化的弹性模量、比热、导热系数及热膨胀系数等热物理性能参数；
[0033] (2)型钢冷断面建模：根据型钢成品的形状、尺寸及其公差要求，运用2D/3D建模 软件建立型钢冷断面模型；
[0034] 其中，选用的建模软件为CAD软件，且由于型钢沿长度方向上的温度及形状尺寸 的变化近似均匀，只对型钢的任一断面进行建模。
[0035] (3)型钢材料属性赋值：根据有限元软件的要求及步骤⑴中得到的热物理性能 参数，对型钢的材料属性进行赋值；
[0036] (4)型