況成本較高。另一種是應(yīng)力結(jié)合準(zhǔn)則，從界面受力角度出發(fā)，通過計算復(fù)合界面上垂直壓應(yīng)力與較硬復(fù)層不銹鋼材料變形抗力之比(在分析步中設(shè)置輸出應(yīng)力應(yīng)變場后，可從abaqus計算結(jié)果中提取并計算界面處的應(yīng)力和變形抗力)，認(rèn)為比值大于I時界面發(fā)生粘合。
[0031]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，計算分析后得到優(yōu)選結(jié)果: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，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)和乳輥直徑參數(shù)中的至少兩項。
[0032]根據(jù)“金屬粘結(jié)”的能量原理，金屬接觸界面上的原子會進(jìn)行重新結(jié)合，進(jìn)而形成原子間的結(jié)合鍵，從而使兩金屬在復(fù)合界面上結(jié)合為一體。結(jié)合界面上的結(jié)合點越多，結(jié)合鍵的結(jié)合力越大，從而使得最終的復(fù)合強(qiáng)度也越大。因此，金屬層間接觸狀態(tài)的判斷是一個關(guān)鍵問題，目前研究中尚無一個通用的方法。關(guān)于乳制復(fù)合的界面處理一般有兩種分析模型，一種是乳制時復(fù)合界面伴隨有滑移現(xiàn)象發(fā)生的模型，在基板和復(fù)板之間設(shè)置摩擦系數(shù)，允許產(chǎn)生相對滑動，該模型可計算乳制負(fù)荷、每種材料的壓下率以及粘合面的剪切力，但由于沒有考慮乳制過程中兩種金屬發(fā)生復(fù)合的情況，與實際金屬變形有較大出入。另一種是粘合模型，認(rèn)為在乳制前金屬已復(fù)合，乳制過程不產(chǎn)生相對滑動，包括粘接和共節(jié)點兩種方法，前者認(rèn)為接觸面上的節(jié)點不共用，后者在內(nèi)外層接觸面劃分相同網(wǎng)格。該模型可得到乳制負(fù)荷、乳件溫度、各層應(yīng)變量以及粘合面垂直正壓力等，本發(fā)明主要考慮不銹鋼復(fù)合板的熱乳變形和初始復(fù)合過程，不考慮層間金屬剪切作用，因此采用共節(jié)點方法。
[0033]乳制過程的界面法向力:界面法向正壓力沿寬度方向存在分布不均的現(xiàn)象，邊部壓應(yīng)力小于板坯中部的壓應(yīng)力。壓下量相同、壓下率逐漸增大，其界面正壓力峰值在逐漸增大。
[0034]乳制溫度對界面結(jié)合的影響:根據(jù)復(fù)合板乳制的壓下量，計算不同乳制溫度界面正應(yīng)力及材料流變應(yīng)力，溫度越高，界面法向正壓力越小，不銹鋼材料流變應(yīng)力也越小，且正應(yīng)力的減小量小于材料流變應(yīng)力的下降值。如圖2a，在壓下量30%時，當(dāng)加熱溫度升至1130°C及以上時界面實現(xiàn)結(jié)合，小于該溫度值時界面未發(fā)生結(jié)合，說明增大乳制溫度有利于雙金屬材料復(fù)合，同時有利于減小乳機(jī)設(shè)備負(fù)擔(dān)。
[0035]不同溫度下完成乳制界面復(fù)合所需單道次臨界壓下量，如圖2b，在1000?1200°C范圍內(nèi)，溫度每降低50°C，材料變形抗力增加約25MPa，而完成復(fù)合所需的臨界壓下量增加約2%。溫度越低，溫度降低時變形抗力增加量大，臨界壓下量增加值變大。
[0036]單道次壓下量對結(jié)合面的影響:壓下量是乳制復(fù)合過程的一個重要參數(shù)，對于復(fù)合板結(jié)合具有極其重要的作用，乳制變形量過低難以實現(xiàn)復(fù)合，而乳制變形量過大則易出現(xiàn)咬入困難，并對乳機(jī)設(shè)備提出較高要求。采用不同單道次壓下量在1200°C乳制溫度下界面正壓力與不銹鋼材料流變應(yīng)力(圖3a)。隨著乳制壓下量的增大，界面法向正應(yīng)力逐漸增大，其增幅遠(yuǎn)大于材料流變應(yīng)力變化值，說明采用較大壓下量有利于乳制復(fù)合界面的快速結(jié)合。界面壓應(yīng)力與材料流變應(yīng)力曲線交點，即實現(xiàn)界面良好結(jié)合的臨界壓下量。
[0037]多道次壓下量對結(jié)合面的影響:由于乳制咬入以及乳輥強(qiáng)度和電機(jī)設(shè)備等因素的限制，單道次實現(xiàn)大厚度不銹鋼/碳鋼復(fù)合難度較大。利用多道次相對小壓下量乳制過程實現(xiàn)界面復(fù)合，可以有效減小設(shè)備損耗并提高設(shè)備的安全使用性能。假設(shè)乳制復(fù)合過程各單道次的壓下量相同，乳制溫度1200°C時完成初始乳制復(fù)合時各單道次壓下量與完成復(fù)合的所需道次數(shù)量之間的關(guān)系(圖3b)。當(dāng)單道次壓下量大于28%即可完成界面的乳制復(fù)合。壓下量取18.2?28%時，需要至少2道次完成乳制界面的初始復(fù)合，積累壓下量36.4%。3道次實現(xiàn)復(fù)合需要最小單道次壓下量13.5_，積累壓下量至少40.5%。
[0038]乳制速度對結(jié)合面的影響:根據(jù)壓下量和乳輥直徑，計算不同乳輥速度時乳制界面正壓力和不銹鋼材料變形抗力隨時間變化曲線。圖4為在相同壓下量30%和乳輥直徑750mm條件下的界面正壓力和變形抗力隨時間變化的曲線。界面乳制壓力和材料變形抗力都隨著乳制速度的增加而提高。在0.5?2m/s范圍內(nèi)，乳制速度每增加0.5m/s，界面壓應(yīng)力增加約3.6MPa，提高乳制速度有利于界面復(fù)合，然而界面正應(yīng)力與材料流變應(yīng)力比值變化較小，因此乳制速度對于界面初始乳制復(fù)合階段影響較小。
[0039]乳輥直徑對結(jié)合面的影響:根據(jù)壓下量和乳輥速度，計算不同乳輥直徑時乳制界面正壓力和不銹鋼材料變形抗力隨時間變化曲線。圖5為在壓下量30%和乳制速度1.lm/s條件下，在取不同乳輥直徑時乳制界面正壓力和不銹鋼材料變形抗力隨時間變化曲線。乳輥直徑取550mm，界面壓應(yīng)力為小于不銹鋼316L在該條件下的流變應(yīng)力。當(dāng)乳輥直徑增加到900mm，界面壓應(yīng)力為大于不銹鋼316L在該條件下的流變應(yīng)力，界面完成結(jié)合。在乳輥直徑600到850mm范圍內(nèi)，乳棍直徑每增加50mm，界面壓應(yīng)力增加約1.4MPa，乳棍直徑超過725mm時完成結(jié)合。隨著乳輥直徑增加，界面乳制壓力增大，而乳件變形速率隨著減小，導(dǎo)致材料流變應(yīng)力減小，從而壓力與流變應(yīng)力比值增加，有利于界面的結(jié)合。
[0040]所述的中試規(guī)格復(fù)合板乳制過程表面溫度影響參數(shù)包括:乳制壓下量與乳制速度。
[0041]乳制壓下量對乳件溫度的影響:圖6為不同壓下率下乳制復(fù)合板表面溫度隨時間變化曲線。壓下率為5%時，乳件表面的溫度在進(jìn)入幾何變形區(qū)后，溫度持續(xù)下降，最低點溫度為1100 °C，出了幾何變形區(qū)以后，表面溫度稍有上升，為1130 °C。當(dāng)壓下率為12.5%時，最低點溫度降為1058°C，出了幾何變形區(qū)以后，表面溫度上升，達(dá)到1125°C。當(dāng)壓下率為20%時，最低點溫度降為1025°C，出了幾何變形區(qū)以后，表面溫度上升至1121°C。當(dāng)壓下率為25%時，最低點溫度降為1002°C，出了幾何變形區(qū)以后，表面溫度上升至1118°C。當(dāng)壓下率為30%時，最低點溫度降為980°C，出了幾何變形區(qū)以后，表面溫度上升至1116°C。可以發(fā)現(xiàn)，壓下率隨表面最終溫度的變化影響不顯著，但對乳件的溫度變化歷程影響較大，壓下率增大使得乳件表面的溫降和溫升過程變得更加激烈。
[0042]乳制速度對乳件溫度的影響:乳制速度對復(fù)合板溫度歷程有重要影響，圖7為乳制速度分別取0.8、1.1、1.5、2.0、2.5 m/s時，乳件表面的溫度-時間變化曲線。隨著乳制速度的增加，表面溫度在整個乳制過程中溫降幅度減小，溫度變化較平緩。乳制速度提高使得乳件與乳輥的接觸時間縮短，接觸傳熱減少。
[0043]本發(fā)明方法通過計算機(jī)數(shù)值模擬，充分發(fā)揮了計算機(jī)數(shù)值模擬在仿真預(yù)測方面的優(yōu)勢，以實現(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。
【主權(quán)項】
1.一種基于數(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，其特征在于，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。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述工藝參數(shù)控制方法，其特征在于，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，計算分析后得到優(yōu)選結(jié)果。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述工藝參數(shù)控制方法，其特征在于，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。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述工藝參數(shù)控制方法，其特征在于，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。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述工藝參數(shù)控制方法，其特征在于，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。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述工藝參數(shù)控制方法，其特征在于，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。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述工藝參數(shù)控制方法，其特征在于，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)中至少兩項。
【專利摘要】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)合板軋制過程建模并進(jìn)行有限元分析，綜合分析軋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。所述方法包括：獲取復(fù)合板板層的物性參數(shù)；建立復(fù)合板和軋輥的幾何模型；將復(fù)合板板層的物性參數(shù)導(dǎo)入幾何模型中；設(shè)定分析步中的場輸出變量；把影響結(jié)合的工藝參數(shù)設(shè)定為邊界條件和載荷，計算分析后得到優(yōu)選結(jié)果；本發(fā)明方法通過計算機(jī)數(shù)值模擬，充分發(fā)揮了計算機(jī)數(shù)值模擬在仿真預(yù)測方面的優(yōu)勢，以實現(xiàn)復(fù)合板軋制過程中界面結(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。
【IPC分類】B21B1/38, B21B37/00, G06F17/50
【公開號】CN105598178
【申請?zhí)枴緾N201511001607
【發(fā)明人】臧勇, 秦勤, 蔡赫, 管奔
【申請人】北京科技大學(xué)
【公開日】2016年5月25日
【申請日】2015年12月28日