本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)優(yōu)化鑄造工藝，尤其涉及一種基于有限元模型改善大型鋼錠表面開裂的工藝優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、大型鋼錠廣泛應(yīng)用于核電、冶金、石油化工等領(lǐng)域，如核反應(yīng)堆壓力容器、大型電站的電機(jī)轉(zhuǎn)子、大型機(jī)械設(shè)備中的支承輥等。鋼錠質(zhì)量好壞將直接影響最終的鍛件質(zhì)量。普通模鑄鋼錠存在的典型缺陷包括縮孔縮松、偏析、非金屬夾雜和表面裂紋等。鋼錠的表面裂紋通常認(rèn)為受熱應(yīng)力作用而產(chǎn)生，按裂紋方向可以分為橫向裂紋和縱向裂紋。其中，縱向裂紋主要是由于鋼錠棱部受鋼錠模的激冷作用首先與模壁脫離，而其他部位仍然保持與模壁接觸的狀態(tài)，因此棱部激冷層比其他接觸面的激冷層薄，較厚的激冷層對(duì)較薄的區(qū)域產(chǎn)生拉應(yīng)力，導(dǎo)致棱部應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋。

2、采用數(shù)值模擬技術(shù)研究鋼錠的充型凝固過程，可以指導(dǎo)大型鋼錠的生產(chǎn)，鑄造模擬軟件和模擬技術(shù)在鋼錠研究中發(fā)揮了重要作用，然而，目前針對(duì)大型鋼錠表面裂紋的數(shù)值模擬研究主要集中在對(duì)鋼錠模的應(yīng)力場(chǎng)分析，缺少對(duì)鋼錠的分析研究，更難以通過鑄造模擬分析來優(yōu)化工藝以減輕鋼錠表面縱向裂紋。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述分析，本發(fā)明旨在提供一種基于有限元模型改善大型鋼錠表面開裂的工藝優(yōu)化方法，用以解決大型鋼錠在鑄造時(shí)容易產(chǎn)生縱向裂紋的問題。

2、本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種基于有限元模型改善大型鋼錠表面開裂的工藝優(yōu)化方法，包括：步驟s1，根據(jù)鋼錠材料的化學(xué)成分，獲取鋼錠材料的至少一組熱物性參數(shù)；步驟s2，建立鋼錠的鑄造三維模型；步驟s3，對(duì)鑄造三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和參數(shù)設(shè)置，其中，參數(shù)包括步驟s1中獲取的至少一組熱物性參數(shù)；步驟s4，根據(jù)步驟s1獲取的至少一組熱物性參數(shù)，對(duì)鑄造三維模型進(jìn)行鑄造過程溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的模擬計(jì)算，獲得鋼錠凝固結(jié)束時(shí)的表面應(yīng)力；步驟s5，優(yōu)化鋼錠的鑄造三維模型的結(jié)構(gòu)，并重復(fù)步驟s2至步驟s5，直至達(dá)到優(yōu)化終止條件，使鋼錠棱部的表面應(yīng)力降低。

3、進(jìn)一步地，若在步驟s1中獲取多組熱物性參數(shù)，則在步驟s4中，根據(jù)多組熱物性參數(shù)，對(duì)鑄造三維模型進(jìn)行鑄造過程溫度場(chǎng)的模擬計(jì)算，獲得多個(gè)對(duì)應(yīng)的鋼錠完全凝固時(shí)間；根據(jù)各個(gè)完全凝固時(shí)間，篩選一組熱物性參數(shù)；根據(jù)篩選出的熱物性參數(shù)，對(duì)鑄造三維模型進(jìn)行鑄造過程溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的模擬計(jì)算，獲得鋼錠凝固結(jié)束時(shí)的表面應(yīng)力。

4、進(jìn)一步地，在篩選熱物性參數(shù)時(shí)，比較各個(gè)完全凝固時(shí)間以及鋼錠的實(shí)際脫模時(shí)間，篩選出最接近實(shí)際脫模時(shí)間的一組熱物性參數(shù)。

5、進(jìn)一步地，在步驟s2中，建立的鑄造三維模型包括：鋼錠、保溫帽、鋼錠模、底盤、耐火磚、覆蓋劑。

6、進(jìn)一步地，在步驟s5中，優(yōu)化鋼錠的鑄造三維模型的結(jié)構(gòu)包括：優(yōu)化鋼錠的棱型，和/或，優(yōu)化鋼錠模的厚度。

7、進(jìn)一步地，在步驟s5中，優(yōu)化鋼錠的棱型包括：增大鋼錠的棱部圓角直徑。

8、進(jìn)一步地，在步驟s5中，優(yōu)化鋼錠的棱型時(shí)，優(yōu)化終止條件包括：優(yōu)化后鋼錠棱部表面的最大主應(yīng)力值降低幅度小于或等于5％。

9、進(jìn)一步地，在優(yōu)化鋼錠模的厚度時(shí)，優(yōu)化終止條件還包括：相比于鋼錠模的原始厚度，鋼錠模增加的厚度大于或等于100mm。

10、進(jìn)一步地，在步驟s3中，設(shè)置的參數(shù)包括：各部件材料的熱物性參數(shù)、各部件的初始溫度以及各部件之間的界面換熱系數(shù)。

11、進(jìn)一步地，鋼錠的初始溫度設(shè)置為在液相線溫度的基礎(chǔ)上增加60～80℃。

12、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的方法至少可實(shí)現(xiàn)如下有益效果之一：

13、1、本發(fā)明通過對(duì)大型鋼錠鑄造過程的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，得到大型鋼錠凝固過程中的應(yīng)力分布情況，從而能夠根據(jù)鋼錠的表面應(yīng)力來不斷優(yōu)化鋼錠的鑄造工藝，以降低鋼錠的表面應(yīng)力，減輕鋼錠棱部表面的縱向裂紋，則不僅可以節(jié)省生產(chǎn)成本，縮短清理時(shí)間，同時(shí)可減少清除裂紋過程所造成的環(huán)境污染以及對(duì)勞動(dòng)工人健康的影響。

14、2、本發(fā)明的實(shí)施例在獲得多組熱物性參數(shù)的備用數(shù)據(jù)時(shí)，通過對(duì)設(shè)置不同熱物性參數(shù)的鑄造三維模型進(jìn)行溫度場(chǎng)的模擬計(jì)算，得到鋼錠不同的完全凝固時(shí)間，再根據(jù)完全凝固時(shí)間篩選出一組最合適的熱物性參數(shù)進(jìn)行后續(xù)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算，能夠提高鋼錠應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，為后續(xù)的工藝優(yōu)化提供可靠的參考數(shù)據(jù)。

15、3、本發(fā)明通過優(yōu)化鋼錠棱型和/或鋼錠模厚度，能夠降低大型鋼錠的表面應(yīng)力，進(jìn)而減輕鋼錠棱部縱向開裂的情況。

16、本發(fā)明中，上述各技術(shù)方案之間還可以相互組合，以實(shí)現(xiàn)更多的優(yōu)選組合方案。本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分優(yōu)點(diǎn)可從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過說明書實(shí)施例以及附圖中所特別指出的內(nèi)容中來實(shí)現(xiàn)和獲得。

技術(shù)特征：

1.一種基于有限元模型改善大型鋼錠表面開裂的工藝優(yōu)化方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，若在所述步驟s1中獲取多組熱物性參數(shù)，則在所述步驟s4中，

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在篩選所述熱物性參數(shù)時(shí)，比較各個(gè)所述完全凝固時(shí)間與所述鋼錠的實(shí)際脫模時(shí)間，篩選出最接近所述實(shí)際脫模時(shí)間的一組所述熱物性參數(shù)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步驟s2中，建立的所述鑄造三維模型包括：鋼錠、保溫帽、鋼錠模、底盤、耐火磚、覆蓋劑。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步驟s5中，優(yōu)化所述鋼錠的鑄造三維模型的結(jié)構(gòu)包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在所述步驟s5中，優(yōu)化所述鋼錠的棱型包括：增大所述鋼錠的棱部圓角直徑。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，在所述步驟s5中，優(yōu)化所述鋼錠的棱型時(shí)，所述優(yōu)化終止條件包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在優(yōu)化所述鋼錠模的厚度時(shí)，所述優(yōu)化終止條件還包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步驟s3中，設(shè)置的參數(shù)包括：各部件材料的熱物性參數(shù)、各部件的初始溫度以及各部件之間的界面換熱系數(shù)。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述鋼錠的初始溫度設(shè)置為在液相線溫度的基礎(chǔ)上增加60～80℃。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于有限元模型改善大型鋼錠表面開裂的工藝優(yōu)化方法，屬于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)優(yōu)化鑄造工藝技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括：步驟S1，根據(jù)鋼錠材料的化學(xué)成分，獲取鋼錠材料的至少一組熱物性參數(shù)；步驟S2，建立鋼錠的鑄造三維模型；步驟S3，對(duì)鑄造三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和參數(shù)設(shè)置，其中參數(shù)包括步驟S1中獲取的至少一組熱物性參數(shù)；步驟S4，對(duì)鑄造三維模型進(jìn)行鑄造過程溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的模擬計(jì)算，獲得鋼錠凝固結(jié)束時(shí)的表面應(yīng)力；步驟S5，優(yōu)化鋼錠的鑄造三維模型的結(jié)構(gòu)，并重復(fù)步驟S2至步驟S5，直至達(dá)到優(yōu)化終止條件，使鋼錠棱部的應(yīng)力降低。采用本發(fā)明的方法，能夠降低鋼錠凝固結(jié)束時(shí)的棱部表面應(yīng)力，減輕鋼錠棱部表面的縱向裂紋。

技術(shù)研發(fā)人員：吉曉霞,馬祎煒,李金良,王大鵬,張雪姣,楊康,韓興,李晗
受保護(hù)的技術(shù)使用者：天津重型裝備工程研究有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6