钢管穿孔有限元虚拟仿真集成系统开发

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全世界每年钢管制品的消耗量近5亿吨,钢管生产新技术的发展始终是世界钢铁行业所关注的焦点问题之一。钢管斜轧穿孔过程金属变形非常复杂,金属流动规律难以掌握,在缺乏系统精确分析的条件下,实际生产中不得不以多次反复试验来决定轧制生产工艺流程,从而造成产品成本高,生产周期长,开发新产品困难等问题。因此,系统地研究钢管穿孔过程中的金属变形规律、温度变化以及金属组织的演变,具有重要的现实意义和理论价值。针对上述问题本文开展了一系列的研究工作。本文以钢管穿孔过程三维刚塑性热力耦合有限元程序为核心,开发了钢管虚拟仿真系统,该系统具有完善的前后置处理功能,采用模块化的程序结构设计,易于扩充,为进一步研究钢管生产全过程的“虚拟生产系统”的关键技术奠定了坚实的基础。首先,针对钢管斜轧过程的自身特点,结合当前大型通用有限元分析软件的利弊分析,提出了开发专用的有限元软件的实现方式。其次,推导了三维刚塑性有限元求解列式以及求解温度场的有限元列式,并对采用三维热力耦合刚塑性有限元法模拟分析钢管穿孔过程所涉及的一些关键技术问题进行了系统深入的研究,给出了相应的处理方法和计算公式。再次,建立了热力耦合模型和内部组织预测模型,为斜轧穿孔过程的全面模拟做好了准备。最后,针对上述模型,应用所开发的系统对钢管穿孔过程的典型算例进行了模拟分析,获得了应力场、应变场、速度场、温度场、晶粒度等场量值的分布情况和结果。通过对理论计算与实验结果的分析,也验证了本系统是正确的、可靠的。
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