基于數(shù)值模擬的復(fù)合板界面結(jié)合強(qiáng)度的工藝參數(shù)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]
本發(fā)明涉及復(fù)合板的乳制工藝，尤其是涉及一種基于數(shù)值模擬的復(fù)合板面結(jié)合強(qiáng)度的工藝參數(shù)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。
[0003]不銹鋼復(fù)合板是將基材碳鋼Q345與復(fù)層不銹鋼316L或31S在高溫高壓下冶金結(jié)合一起，使其成為具有特殊復(fù)合特性的整體新材料，屬于雙金屬復(fù)合板。不銹鋼復(fù)合板兼具覆層不銹鋼的耐腐蝕性和基體碳鋼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度，在使用性能上能夠相互取長補(bǔ)短。
[0004]乳制法是最早用于生產(chǎn)復(fù)合板的方法之一，也是目前生產(chǎn)復(fù)合鋼板和其它復(fù)合金屬板的普遍和常用的方法。根據(jù)乳制溫度的差異，可以分為熱乳復(fù)合和冷乳復(fù)合。
[0005]熱乳復(fù)合是將復(fù)材和基材組合焊接并通過高溫乳制過程實(shí)現(xiàn)復(fù)材與基材的牢固冶金結(jié)合的生產(chǎn)工藝。
[0006]為了保證復(fù)合板有足夠的界面結(jié)合強(qiáng)度，通常需要有較大的下壓量，導(dǎo)致乳制力的增加，從而增加了乳機(jī)設(shè)備的負(fù)擔(dān)。然而通過調(diào)整工藝參數(shù)可以在保證界面結(jié)合強(qiáng)度的前提下有效減小乳制力，有利于減小設(shè)備的負(fù)擔(dān)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的通過優(yōu)化乳制過程中的工藝參數(shù)，使乳制設(shè)備在最小的負(fù)擔(dān)下保證界面的結(jié)合強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對復(fù)合板的乳制。減少通過試制確定工藝參數(shù)所造成的能源消耗，提高工作效率。
[0008]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種基于數(shù)值模擬的復(fù)合板界面結(jié)合強(qiáng)度的工藝參數(shù)控制方法，所述工藝參數(shù)控制方法方法對復(fù)合板乳制過程建模并進(jìn)行有限元分析，綜合分析乳制過程中的各個工藝參數(shù)得到優(yōu)選結(jié)果，減少了通過試制確定工藝參數(shù)所造成的能源消耗。
[0009]進(jìn)一步的，所述方法具體步驟如下:
步驟I)獲取復(fù)合板板層的物性參數(shù)；
步驟2)建立復(fù)合板和乳輥的幾何模型；
步驟3)將步驟I)中復(fù)合板板層的物性參數(shù)導(dǎo)入步驟2)的幾何模型中；
步驟4)設(shè)定分析步中的場輸出變量，用以確定復(fù)合板板層結(jié)合的條件；
步驟5)把影響結(jié)合的工藝參數(shù)設(shè)定為邊界條件和載荷，計(jì)算分析后得到優(yōu)選結(jié)果。
[0010]進(jìn)一步的，所述步驟I)具體為:獲取900?1300°C溫度范圍內(nèi)低碳鋼Q345與不銹鋼L316的塑性參數(shù);獲取100?1150°C溫度范圍內(nèi)低碳鋼Q345與不銹鋼L316的塑性參數(shù)膨脹系數(shù);獲取25?1500°C溫度范圍內(nèi)低碳鋼Q345與不銹鋼L316的傳導(dǎo)率和比熱。
[0011 ]進(jìn)一步的，所述步驟2)具體為:建模復(fù)合板為可變形體，乳輥為解析剛體，根據(jù)模型的對稱性采用1/8模型進(jìn)行計(jì)算，施加的相互作用為:表面熱交換條件、表面輻射、乳輥與復(fù)合板表面接觸;對復(fù)合板組枉模型進(jìn)行分區(qū)，分區(qū)采用C3D8RT單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分進(jìn)，界面處網(wǎng)格密度較大。
[0012]進(jìn)一步的，所述步驟4)具體為:當(dāng)板層接觸界面上法向正應(yīng)力與復(fù)層不銹鋼材料變形抗力之比大于I時界面發(fā)生粘合。
[0013]進(jìn)一步的，所述步驟5)具體為:向步驟3)的模型中帶入乳制過程初始的工藝參數(shù)，求出法向正應(yīng)力與復(fù)層不銹鋼材料變形抗力之比，滿足步驟4)條件則得出優(yōu)選結(jié)果，否則對工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整重新帶入。
[0014]進(jìn)一步的，所述工藝參數(shù)包括:乳制力參數(shù)、乳制溫度參數(shù)、壓下量參數(shù)、乳制道數(shù)參數(shù)、乳制速度參數(shù)和乳棍直徑參數(shù)中的一項(xiàng)或多項(xiàng)。
[0015]本發(fā)明方法通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬在仿真預(yù)測方面的優(yōu)勢，以實(shí)現(xiàn)復(fù)合板乳制過程中界面結(jié)合強(qiáng)度工藝參數(shù)的優(yōu)化，減少了通過試制確定工藝參數(shù)所造成的能源消耗，提高了工作效率。
【附圖說明】
[0016]
圖1a復(fù)合板乳制前的組枉模型；
圖1b復(fù)合板乳制后的模型；
圖2a不同乳制溫度下界面法向正應(yīng)力與材料流變應(yīng)力；
圖2b不同乳制溫度下界面復(fù)合的臨界單道次壓下量；
圖3a不同單道次壓下量下界面法向正應(yīng)力與材料流變應(yīng)力比值；
圖3b單道次壓下量與完成復(fù)合所需道次數(shù)量關(guān)系曲線；
圖4不同乳制速度下界面法向正應(yīng)力與材料流變應(yīng)力及其比值；
圖5不同乳輥直徑下界面法向正應(yīng)力與材料流變應(yīng)力；
圖6不同壓下率下乳制復(fù)合板表面隨時間變化曲線；
圖7不同乳制速度下復(fù)合板表面溫度隨時間變化曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0017]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0018]相反，本發(fā)明涵蓋任何由權(quán)利要求定義的在本發(fā)明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進(jìn)一步，為了使公眾對本發(fā)明有更好的了解，在下文對本發(fā)明的細(xì)節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細(xì)節(jié)部分。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細(xì)節(jié)部分的描述也可以完全理解本發(fā)明。下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】，對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0019]低碳鋼Q345與不銹鋼L316的硬度、強(qiáng)度、變形抗力等力學(xué)性能方面存在差異，乳制時板坯上下受力不對稱，板材易向變形抗力大的金屬一側(cè)彎曲。因此復(fù)合板乳制時一般采用對稱乳制(坯料組合呈對稱性)，即可保持良好的板型，又提高了生產(chǎn)效率。
[0020]不銹鋼復(fù)合板對稱乳制時的組坯方案主要有兩種:內(nèi)包覆ABBA(復(fù)層不銹鋼在內(nèi)層)和外包覆BAAB(復(fù)層不銹鋼在外層)。本發(fā)明采用的是內(nèi)包覆ABBA組坯方案。復(fù)合板的組枉模型(圖la)，復(fù)合板乳制后的模型(圖lb)。
[0021]所述的復(fù)合板乳制過程包括:首先將組枉好的復(fù)合板放入加熱爐中加熱至一定的溫度，保持一定的時間；然后選擇多道次乳制，每道次選擇相應(yīng)的壓下量;最后對乳制后的復(fù)合板進(jìn)行水冷，選擇合適的冷卻速度，保持一定的時間后進(jìn)行空冷。將乳制后的復(fù)合板進(jìn)行機(jī)械切割分離。
[0022]本發(fā)明基于數(shù)值模擬的復(fù)合板界面結(jié)合強(qiáng)度的工藝參數(shù)控制方法，所述工藝參數(shù)控制方法方法對復(fù)合板乳制過程建模并進(jìn)行有限元分析，綜合分析乳制過程中的各個工藝參數(shù)，通過各個工藝參數(shù)的結(jié)合以實(shí)現(xiàn)復(fù)合板乳制過程中界面結(jié)合強(qiáng)度工藝參數(shù)的優(yōu)化得到優(yōu)選結(jié)果，減少了通過試制確定工藝參數(shù)所造成的能源消耗，所述的工藝參數(shù)具體包括:乳制力、乳制溫度、壓下量、乳制道數(shù)、乳制速度、乳輥直徑；
所述方法具體步驟如下:
步驟I)獲取復(fù)合板板層的物性參數(shù):通過實(shí)驗(yàn)獲取900?1300 °C溫度范圍內(nèi)低碳鋼Q345與不銹鋼L316的物性參數(shù);獲取100?1150°C溫度范圍內(nèi)低碳鋼Q345與不銹鋼L316的塑性參數(shù)膨脹系數(shù);獲取25?1500°C溫度范圍內(nèi)低碳鋼Q345與不銹鋼L316的傳導(dǎo)率和比熱。
[0023]準(zhǔn)確的材料模型是正確進(jìn)行有限元模擬分析的關(guān)鍵，不銹鋼熱乳復(fù)合過程總壓下量很大，導(dǎo)致材料在變形過程中產(chǎn)生升溫，同時由于接觸換熱和對流換熱作用，表面溫度降低，因此在進(jìn)行有限元計(jì)算分析時，必須得到316L不銹鋼和Q345R碳鋼在高溫下的變形抗力曲線和熱膨脹系數(shù)曲線，其它熱物性參數(shù)還包括楊氏模量、泊松比、熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱等。運(yùn)用Gleeble1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)對不銹鋼和碳鋼試件進(jìn)行了壓縮實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際乳制中不銹鋼復(fù)合板的溫度以及變形速率區(qū)間，每隔50°C設(shè)定一個實(shí)驗(yàn)溫度測量點(diǎn)，共設(shè)定900°C、950°C、1000 °C、1050 °C、1100 °C、1150 °C、1200 °C等七個溫度點(diǎn)。在每個溫度點(diǎn)分別做0.I s_l、Is-1、和10 s-Ι三種應(yīng)變速率的實(shí)驗(yàn)工況。從而獲得不銹鋼和碳鋼在不同溫度和變形速率下流變應(yīng)力曲線，從曲線上取點(diǎn)輸入到abaqus塑性參數(shù)中。
[0024]利用DIL801熱膨脹儀測試獲得不銹鋼316L和碳鋼Q345R的熱膨脹系數(shù)隨溫度變化曲線。根據(jù)在已知溫度下的熱物理參數(shù)和材料各元素成分比重，經(jīng)軟件JmatPro計(jì)算得到材料密度、比熱、熱導(dǎo)率、彈性模量、泊松比等熱物理參數(shù)隨溫度變化關(guān)系曲線，將以上參數(shù)輸入到abaqus的材料屬性定義中。
[0025]步驟2)建立復(fù)合板和乳輥的幾何模型:建模復(fù)合板為可變形體，乳輥為解析剛體，根據(jù)模型的對稱性采用1/8模型進(jìn)行計(jì)算，施加的相互作用為:表面熱交換條件、表面輻射、乳輥與復(fù)合板表面接觸;對復(fù)合板組枉模型進(jìn)行分區(qū)，分區(qū)采用C3D8RT單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分進(jìn)，界面處網(wǎng)格密度較大。
[0026]不銹鋼復(fù)合板模型進(jìn)行了如下假設(shè)和簡化:
(1)忽略板坯上、下表面?zhèn)鳠岷褪芰Φ牟顒e，假設(shè)其傳熱和力學(xué)狀態(tài)具有對稱性；
(2)乳輥在高溫?zé)崛檫^程中彈性變形很小，將其定義為剛性；
(3)復(fù)合板中各層材料均假定為各向同性彈塑性材料；
(4)乳制環(huán)境溫度為室溫，取30°C。
[0027]由于板坯厚度較大而長寬方向尺寸較小，其幾何建模過程中四周邊條及焊接結(jié)構(gòu)對乳制變形的影響不可忽略，采用C3D8RT單元對板坯進(jìn)行網(wǎng)格劃分，1/4簡化乳制模型及板坯幾何網(wǎng)格模型如圖1 a。
[0028]步驟3)將步驟I)中復(fù)合板板層的物性參數(shù)導(dǎo)入步驟2)的幾何模型中。
[0029]步驟4)設(shè)定分析步中的場輸出變量，用以確定復(fù)合板板層結(jié)合的條件:當(dāng)板層接觸界面上法向正應(yīng)力與復(fù)層不銹鋼材料變形抗力之比大于I時界面發(fā)生粘合。
[0030]目前關(guān)于界面結(jié)合的判定準(zhǔn)則主要包括兩種:一種是應(yīng)變結(jié)合準(zhǔn)則，從乳制界面變形角度出發(fā)，要求組坯材料各自變形量達(dá)到或超過某一閾值，該值隨著復(fù)合組元材料、加熱溫度、初始厚度及壓下量等因素的變化而有所區(qū)別。一般通過試驗(yàn)方法近似確定臨界壓下率，其影響因素間的定量及耦合關(guān)系不易獲得，同時對于大厚度不銹鋼/碳鋼復(fù)合板的多道次真空熱乳復(fù)合過程，試驗(yàn)確定具體某個中間道次的界面結(jié)合情