ANSYS在離心復(fù)合軋輥鑄造過(guò)程中的應(yīng)用?

邊明茹，張 龍

（酒鋼集團(tuán)西部重工股份有限公司，甘肅嘉峪關(guān) 735100）

ANSYS在離心復(fù)合軋輥鑄造過(guò)程中的應(yīng)用?

邊明茹，張 龍

（酒鋼集團(tuán)西部重工股份有限公司，甘肅嘉峪關(guān) 735100）

應(yīng)用仿真軟件ANSYS，結(jié)合軋輥實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐數(shù)據(jù)，對(duì)離心復(fù)合軋輥鑄造凝固過(guò)程的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬，研究仿真結(jié)果為軋輥離心鑄造制定合理的鑄造工藝，提供科學(xué)的研究方法，并提高離心鑄造軋輥的產(chǎn)品穩(wěn)定性，對(duì)開(kāi)發(fā)高性能的離心軋輥提供有效的設(shè)計(jì)依據(jù)和研究途徑。

ANSYS；離心復(fù)合軋輥；溫度場(chǎng)

1 ANSYS［1］及離心復(fù)合軋輥工藝

有限元分析是利用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬分析的方法，在工程技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛，有限元計(jì)算結(jié)果已成為各類(lèi)工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能分析的可靠依據(jù)。國(guó)際上著名的通用有限元軟件有十幾種，如SAP、ANSYS、ADNIA等。ANSYS軟件是集結(jié)構(gòu)，熱、流體、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)、耦合場(chǎng)分析與一體的通用分析軟件，其用戶涵蓋機(jī)械、航空航天、能源、土木建筑、水利、電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。ANSYS作為一個(gè)功能強(qiáng)大的有限元分析軟件，具有數(shù)據(jù)統(tǒng)一、強(qiáng)大的建模能力、強(qiáng)大的求解能力、強(qiáng)大的線性分析功能、良好的優(yōu)化功能、多場(chǎng)耦合功能、多程序接口、良好的用戶開(kāi)發(fā)環(huán)境等特點(diǎn)，可進(jìn)行結(jié)構(gòu)、流體、聲學(xué)、電磁場(chǎng)、熱力學(xué)、耦合場(chǎng)分析，其中熱力學(xué)分析包含熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射、相變等分析求解，筆者應(yīng)用ANSYS熱力學(xué)分析功能對(duì)離心復(fù)合軋輥凝固過(guò)程溫度場(chǎng)仿真模擬。離心復(fù)合軋輥結(jié)構(gòu)如圖1所示，外層為工作層（合金層），心部為填芯層，其澆注過(guò)程分兩步進(jìn)行，即離心澆注過(guò)程和芯部澆注過(guò)程［2］。

2 處理離心復(fù)合軋輥澆注過(guò)程的簡(jiǎn)化原則［3］

建立模型是否合理將直接影響計(jì)算結(jié)果的真確性?？紤]到實(shí)際凝固情況過(guò)程比較復(fù)雜，實(shí)際熱傳遞過(guò)程中影響因素較多，在建立有限元模型時(shí)無(wú)法將所有因素考慮進(jìn)去，因此在建立模型時(shí)要對(duì)凝固過(guò)程進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，建立一個(gè)既能有利于有限元分析計(jì)算又能較真實(shí)的反應(yīng)實(shí)際凝固的模型。簡(jiǎn)化原則如下：

（1）分析模型必須較準(zhǔn)確全面的反應(yīng)凝固過(guò)程中結(jié)構(gòu)和傳熱的特點(diǎn)。

（2）有限元模型應(yīng)與實(shí)際模型相似，對(duì)于影響不大的局部模型在建模中可以進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。

（3）在建立有限元模型時(shí)應(yīng)，可以考慮模型的對(duì)稱(chēng)性簡(jiǎn)化模型。

（4）結(jié)構(gòu)模型的溫度場(chǎng)截面應(yīng)該與實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐溫度場(chǎng)相符合。

圖1 離心復(fù)合軋輥結(jié)構(gòu)圖

3 離心軋輥凝固過(guò)程模型建立

3.1 離心復(fù)合軋輥實(shí)際幾何模型

離心復(fù)合軋輥實(shí)際幾何模型如圖2所示。

本文采用區(qū)域離心澆注，重點(diǎn)研究?450×700離心軋輥的合金層與輥身的溫度場(chǎng)分布，對(duì)離心復(fù)合軋輥的輥身進(jìn)行有限元分析，此離心軋輥合金層工藝要求大于55 mm，考慮到輥模端蓋對(duì)軋輥熱傳遞影響有限，為了建模方便將其簡(jiǎn)化為圓柱模型。應(yīng)用Solid?Works建立實(shí)體模型，并采用ANSYS軟件的截面功能，考慮到對(duì)稱(chēng)性取1／4。截面如圖3所示。

3.2 離心復(fù)合軋輥有限元模型的劃分［4］

分別對(duì)離心復(fù)合軋輥離心澆注凝固過(guò)程和填芯過(guò)程建立有限元模型，并對(duì)有限元模型進(jìn)行有限元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，形成有限元網(wǎng)格模型，如圖4所示。芯部鐵水澆注后軋輥輥身的有限元網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖4 離心澆注凝固過(guò)程有限元網(wǎng)格模型

圖5 芯部澆注凝固過(guò)程的有 限元網(wǎng)格模型

4 軋輥輥身凝固過(guò)程的溫度場(chǎng)分析［5］

4.1 離心工作層凝固過(guò)程的溫度場(chǎng)分析

有限元材料熱物性均來(lái)自文獻(xiàn)［5］、［6］。對(duì)有限元模型進(jìn)行求解，求解結(jié)果如圖6～9所示。圖6～9分別為澆注完畢5 min、10 min、20 min、24 min時(shí)，軋輥溫度場(chǎng)分布。表1是生產(chǎn)實(shí)際澆注過(guò)程中的溫度測(cè)量值與有限元求解測(cè)量值，澆注時(shí)間24 min，然后開(kāi)始合箱澆注芯部。

表1 實(shí)測(cè)溫度與有限元求解溫度對(duì)比表 ／℃

從表1看出實(shí)測(cè)溫度與有限元求解模型基本一致，說(shuō)明求解參數(shù)設(shè)置的正確性。通過(guò)圖6～9可以看出溫度梯度在覆膜砂位置出現(xiàn)較大，是因?yàn)楦材ど爸辛蛩徜X導(dǎo)熱系數(shù)低，起到一定的保溫作用?？梢詮膱D9看出在澆注24 min即澆注結(jié)束時(shí)，合金層厚度約70 mm都位于合金熔點(diǎn)1 095℃以下，基本上剛剛凝固。圖10、11是分別取離心合金層、覆膜砂及輥模上的點(diǎn)的溫度－時(shí)間變化的曲線及沿X軸即由內(nèi)向外溫度變化曲線，從曲線10可以看出離心合金層從澆注到澆注后10 min期間，溫度下降較快，在鑄造時(shí)應(yīng)該合理控制，表面冷激產(chǎn)生微裂紋和晶粒粗大。圖11為沿輥模徑向的溫度分布，從圖中可以看出覆膜砂對(duì)軋輥溫度的貢獻(xiàn)，在靠近輥模處溫度約為996℃。

圖6 離心澆注5 min時(shí)截面溫度場(chǎng)分布

圖7 離心澆注10 min截面 溫度場(chǎng)分布

圖8 離心澆注20 min截面溫度場(chǎng)分布

圖9 離心澆注24 min截面 溫度場(chǎng)分布

圖10 沿輥模徑向各點(diǎn)的溫度－時(shí)間變化曲線

圖11 沿輥模徑向的溫 度分布

4.2 離心復(fù)合軋輥填芯后的軋輥輥身溫度場(chǎng)分析

填芯后對(duì)填芯有限元模型圖5進(jìn)行求解，查看溫度場(chǎng)分布如圖12～15所示。圖12～14分別為填芯2 min、5 min、10 min時(shí)軋輥內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布，圖15為10 min后軋輥由心部到輥模的溫度場(chǎng)變化。從圖14和圖15可以看出從心部180 mm溫度為1 095℃恰好沒(méi)有溶解合金層，由此算出合金層溶解厚度為12.5 mm，由此為離心澆注提供可靠的合金層算法數(shù)據(jù)。

圖12 填芯澆注2 min的溫度場(chǎng)分布

圖13 填芯澆注5 min的 溫度場(chǎng)分布

圖14 填芯澆注10 min溫度場(chǎng)分布

圖15 填芯澆注10 min沿徑向 溫度場(chǎng)變化

5 結(jié) 論

通過(guò)模擬可以看到軋輥在相同的時(shí)間，不同的位置的溫度場(chǎng)分布，以及不同時(shí)間同一位置的溫度場(chǎng)分布情況；通過(guò)有限元分析可以預(yù)測(cè)離心軋輥裂紋萌生的部位為輥模覆膜砂結(jié)合處，過(guò)薄的覆膜砂會(huì)導(dǎo)致裂紋和損壞輥模；可以有效的預(yù)測(cè)離心軋輥合金層的厚度，為定制合理的離心鑄造工藝提供可靠手段，軋輥工藝制定不在只憑經(jīng)驗(yàn)；為驗(yàn)證軋輥新工藝，開(kāi)發(fā)軋輥新產(chǎn)品提供了可靠的方法。

［1］ 商躍進(jìn).有限元原理與ANSYS應(yīng)用指南［M］.北京；清華大學(xué)出版社，2006.

［2］ 劉 超.離心法復(fù)合鑄造鑄鐵軋輥生產(chǎn)［J］.新疆鋼鐵，1995（54）：20.

［3］ 王金龍，王清明，王偉辛.ANSYS12.0有限元分析與范例解析［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［4］ 任 重.ANSYS實(shí)用分析教程［M］.北京：北京大學(xué)出版社.

［5］ 譚 真，郭廣文.工程合金熱物性［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1991.

［6］ 中國(guó)航空材料編輯委員會(huì)，中國(guó)航空材料手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988.

Application of ANSYS in Casting for Centrifugal Compound Roller

BIAN Ming－ru，ZHANG Long

（Western Heavy Industry Co.，Ltd.JISCO，Jiayuguan Gansu 735100，China）

By applying simulation software ANSYS and combining with practical data of roller production，the temperature field at the casting and solidification of centrifugal compound roller is simulated，the simulation result provides scientific study ways for formulating rational casting technology of the centrifugal casting，and can improve the product stability of centrifugal casting rollers，which provides design bases and study ways for developing high－powered centrifugal roller.

ANSYS；centrifugal compound roller；temperature field

TH12

A

1007－4414（2013）04－0080－02

2013－05－28

邊明茹（1977－），女，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，主要從事冶金產(chǎn)品的工藝、設(shè)計(jì)等技術(shù)工作。