3D模拟软件优化铝硅合金热轧工艺的方法与流程

本发明涉及热轧技术领域，具体为3d模拟软件优化铝硅合金热轧工艺的方法。

背景技术：

铝硅合金al-sialloy因其具有良好的物理性能和化学性能，热轧具有工序少、产量大、效率高等优点，广泛应用于散热片、挤型材、铝箔的生产。轧制温度是铝硅合金轧件热轧过程中的重要参数之一，轧件温度直接影响产品力学性能、微观组织、能源消耗。因此，研究轧制过程中温度变化规律，确定合理的轧制工艺参数尤其重要。应用有限元方法模拟塑性成形方面，白桦利用有限元软件对管材轧制过程进行有限元模拟分析材料裂边问题，从而提高棒材成品率。陈仙凤利用有限元软件对材料进行数值模拟研究。吕日松利用ansys对金属塑性成形进行了有限元分析，预测其缺陷。为了节约能源、减少工作时间，工业生产中铝合金热轧首道次下压量一般设置为20％，由于温度控制不当，很容易导致产品产生裂边缺陷。针对热轧过程温度场变化规律的影响问题国内相关有限元分析及模拟较少，这些都是实际存在而又急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供3d模拟软件优化铝硅合金热轧工艺的方法，解决了背景技术中所提出的问题。

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过deform-3d模拟软件来优化铝硅合金热轧工艺的方法，通过建立模型，将实际实验与模拟结果耦合，逆推导出最佳的热轧温度，从而减少裂边缺陷，提高产品性能，同时，利用软件模拟，也省却了大量摸索性试验，极大的降低了成本。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

(1)使用ug三维软件建立三维几何模型，转换格式导入deform-3d中进行模拟计算；

(2)建立有限元模型：设置好材料及参数，以及轧辊直径、轧辊高度、下压量等初始条件，进行网格划分，最后设置好边界条件；

(3)在常温下进行真实拉伸试验，将所得应力与应变数值赋予拉伸试验的有限元模型，通过对比实验结果与仿真结果，让两者的曲线耦合，直到试样断裂之后两曲线吻合完全为止，可得到临界损伤因子co，当某处c值大于临界损伤因子co时，即发生断裂。随后进行其他轧制温度的拉伸试验模拟，当某一轧制温度下损伤因子小于临界损伤因子co且为最小值时，即为最优解，此时能够最大限度的减少裂边缺陷的产生。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

通过建立模型，将实际实验与模拟结果耦合，逆推导出最佳的热轧温度，从而减少裂边缺陷，提高产品性能，同时，利用软件模拟，也省却了大量摸索性试验，极大的降低了成本，能够准确预测最佳轧制温度，从而减少裂边缺陷，提高产品性能；使企业能够将更多的资金和精力投入实际生产当中。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明3d模拟软件优化铝硅合金热轧工艺的方法轧制实体模型示意图；

图2为本发明3d模拟软件优化铝硅合金热轧工艺的方法轧件网格划分示意图；

图3为本发明3d模拟软件优化铝硅合金热轧工艺的方法应变曲线示意图；

图4为本发明3d模拟软件优化铝硅合金热轧工艺的方法轧制温度280o示意图；

图5为本发明3d模拟软件优化铝硅合金热轧工艺的方法轧制温度350o示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

请参阅图1-5，本实施例所述的3d模拟软件优化铝硅合金热轧工艺的方法，是以如图1所示的轧制实体模型为例，具体情况如下：

(1)模型建立。铝硅合金轧制过程，轧件为立方体形状，轧辊为圆柱形。轧制过程的轧件以及轧辊都是轴对称结构。

表1轧辊轧件尺寸

为保证达到稳态轧制过程，咬入角α即轧件与轧辊接触部分夹角应当在15°—20°之间。轧辊及轧件尺寸设置均为实际实验数据尺寸，具体数据见表1。轧制过程中轧件上下两轧辊尺寸完全一样，转速相同，都为主动辊。轧辊和轧件二维模型建立如图1所示。

(2)材料选取和设置参数。轧件选取材料库中铝硅合金，轧辊材料类型定义为rigid(刚体)，由于变形很小忽略轧辊的弯曲与形变。轧件屈服强度为170mpa，其材料属性见表2；轧制过程总时间为5秒；运算步骤共为135步，程序运行过程设定每一步都保存。

表2轧件材料属性

(3)有限元网格划分。由于轧辊材料性质是刚体，只对轧件进行网格划分。轧件整体划分网格数为12000，轧件咬入端进入轧辊过程比稳态轧制过程复杂，轧件咬入端区域需要进行网格细化，局域网格尺寸为周围网格尺寸的0.5倍。细化后如图2所示。

(4)接触传热及边界条件设定。模拟过程中，给轧板一定初速度，轧辊与轧件接触产生摩擦，轧辊带动轧件运动，达到稳定轧制状态。轧辊转速为0.01rad/s，轧件初始速度为0.5mm/s；轧件为铝合金，摩擦系数设置为f＝0.4，轧辊初始温度设置为300o，保持恒温，轧件初始温度为350°。铝硅合金热轧过程中温度变化控制是决定其轧制结果的重要因素，因此要求模拟过程与现实保持一致，模拟过程为铝合金塑性变形，轧辊与轧件传热系数设设置为5；工业生产中，整个轧制过程一般都是在室温(20摄氏度)下进行的，轧制过程中轧辊轧件与空气的热交换系数设置为0.02w/(m2·℃)。换热理论为：式中：h(ts)为换热量；k为stefan-boltzmann常数；ε为表面辐射系数；ts为轧件表面温度；t∞为周围环境温度。以上系数均在热轧初始阶段设置完成。

(5)模型计算。热轧过程属塑形变形，因此宜采用韧性断裂准则，其表达式为：

将拉伸试验得到的4004铝合金应力应变数据做为材料属性赋值给拉伸试验的有限元模型，通过对比实验结果与仿真结果，让两者的曲线吻合，直到试样断裂之后两曲线吻合完全为止，试验与有限元模拟的结果如图3所示。得到临界损伤因子co＝0.45，当某处c值大于临界损伤因子co时，即发生断裂。表3为模拟计算所得不同温度下热轧过程边部损伤因子及裂边平均距离。当温度为350°时损伤因子小于临界损伤因子co＝0.45，且为最小值，轧件未出现裂边缺陷，其他温度损伤因子均大于0.45并且出现裂边缺陷。

表3边部不同温度下损伤数据

(6)实验验证。工艺参数与模拟方案相同。具体方案如下：本次热轧实验是在冶金实验中心利用双辊轧机对轧件进行轧制，试验设备参数：轧辊最大转速3000rad/min，轧辊直径220mm，长200mm。轧辊温度保持300o不变，轧件初始温度分别为280°、300°、320°、350°、380°、400°。利用此方法对模拟结果进行间接验证。实验器材主要为轧机、加热炉。

实验结果如表5所示，温度为350°时裂边平均距离最小，与模拟计算的误差在5％以内，符合允许误差范围之内。图4分别为280°和350°条件下轧制产品对比效果图，明显可看出温度在350°时裂边缺陷最轻。因此轧制生产过程中，温度场的变化影响轧件过程产生裂边缺陷，此实验表明温度的变化规律对轧件轧制质量起到关键作用，验证了模拟结果的可靠准确。

表5不同温度轧件轧制性能指标

本发明所述的3d模拟软件优化铝硅合金热轧工艺的方法，首先通过建立模型，将实际实验与模拟结果耦合，逆推导出最佳的热轧温度，从而减少裂边缺陷，提高产品性能，同时，利用软件模拟，也省却了大量摸索性试验，极大的降低了成本，能够准确预测最佳轧制温度，从而减少裂边缺陷，提高产品性能；使企业能够将更多的资金和精力投入实际生产当中。

本发明以上部件均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知，本发明解决的问题是为了节约能源、减少工作时间，工业生产中铝合金热轧首道次下压量一般设置为20％，由于温度控制不当，很容易导致产品产生裂边缺陷。针对热轧过程温度场变化规律的影响问题国内相关有限元分析及模拟较少，本发明通过上述部件的互相组合，首先通过建立模型，将实际实验与模拟结果耦合，逆推导出最佳的热轧温度，从而减少裂边缺陷，提高产品性能，同时，利用软件模拟，也省却了大量摸索性试验，极大的降低了成本，能够准确预测最佳轧制温度，从而减少裂边缺陷，提高产品性能；使企业能够将更多的资金和精力投入实际生产当中。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。