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试谈裂纹轧辊疲劳裂纹扩展有限元策略模拟设计

收藏本文 2024-01-28 点赞:6225 浏览:18091 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:轧辊是实现工业轧制历程中金属轧制变形的最直接工具,无论是冷轧制或是热轧制,轧辊都要承受较大的热应力和机械应力的共同作用。特别是对于型钢轧制轧辊,在轧制历程中还经常发生断辊事故。如果考虑到因轧辊早期报废消耗而带来的生产停机、降低产量和设备维护费用等其它因素,则其所占生产成本的比重会更高。由此,对已出厂轧辊和正在利用的轧辊进行疲劳性能浅析测试,对已产生裂缝的轧辊进行有限元模拟来计算其寿命,在很大程度上达到能够降低生产成本,更加合理地来利用轧辊,是目前各轧钢厂迫切希望得到解决的课题。通过借用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA的动力学浅析模拟模块,完成了含表面轴向裂纹热轧工作辊轧制的动力学历程模拟,并对含轴向表面裂纹热轧工作辊裂端区域的应力强度因子及其变化规律进行了计算浅析,以及在此基础上进行的J积分的浅析,对含轴向表面裂纹的热轧工作辊还进行了疲劳计算,得到了热轧工作辊的利用寿命。最后,对热轧工作辊裂纹扩展所导致的失效理由进行了计算浅析。本论文通过模拟,得知工作辊在热轧条件下,工作辊表面轴向裂端区域受力状态发生了很大变化,与支承辊接触而产生的第三主应力显著大于与轧件的接触,沿轴向裂端节点第三主应力将会是影响裂纹进展的主要因素。在工作辊接触轧件到轧制一周完成的历程中,径向热应力却没有什么大的幅度变化。综合轧制力和热应力来浅析,在整个热轧制历程中,当裂纹部分与支承辊接触时,沿轴向裂端区域处是产生应力最大的地方,如果此处应力值高于工作辊抗压强度极限值,就会产生塑性变形,更容易导致裂纹沿轴向扩展,也将是影响轧辊利用寿命的一个重要因素。论文最后还对所做的探讨工作进行了总结,得出了一些具有参考性价值的结论,并指出了对进一步探讨含表面裂纹的热轧工作辊中所需解决的一些不足。另外,论文也是基于现代强度论述运用有限元法、断裂力学、损伤力学等共同设计和浅析失效热轧轧辊的一个尝试策略。关键词:表面裂纹论文裂端节点论文热应力论文应力强度因子论文J积分论文

    摘要5-6

    Abstract6-10

    1 引言10-13

    1.1 课题的背景及其作用10

    1.2 热轧机轧辊的进展情况及其在现代工业中的运用10-11

    1.3 热轧工作辊失效机理的探讨综述11

    1.4 课题的主要内容叙述11-13

    2 热轧历程中有限元论述浅析基础13-20

    2.1 热轧历程中位移场和应力场的基本论述13-15

    2.2 热轧历程中的能量原理综述15-16

    2.2.1 虚功原理15-16

    2.2.2 最小势能原理16

    2.3 热浅析历程中的热传导论述16-19

    2.3.1 热传导定律----傅里叶检测设17

    2.3.2 热浅析场中热应力计算17-19

    2.4 有限元模拟软件介绍19

    2.5 本章小结19-20

    3.含表面轴向裂纹热轧工作辊的有限元特性模拟及计算浅析20-31

    3.1 含裂纹轧辊轧制历程中的有限元模型20-22

    3.1.1 有限元轧辊裂纹实体模型建立20-21

    3.1.2 网格的属性和尺寸制约21-22

    3.2 模拟轧制条件的参数案例设定22-23

    3.3 定义边界条件约束23-24

    3.4 热轧历程模拟的制约与求解24-28

    3.5 热应力浅析28-29

    3.6 本章小结29-31

    4 含表面裂纹热轧工作辊的断裂特性浅析31-50

    4.1 相关断裂力学论述系统31-36

    4.1.1 含裂纹工作辊基本开裂类型31-32

    4.1.2 裂纹尖端区域的应力场以及位移场32-34

    4.1.3 轧辊表面裂纹长度对裂纹尖端的影响浅析34-36

    4.2 裂纹尖端区域应力奇异性以及应力强度因子36-43

    4.2.1 应力场强度因子在有限元软件 ANSYS 之中的实现36-37

    4.2.2 裂纹尺寸的变化对 K 的影响规律浅析37-43

    4.3 裂纹尖端塑性区 J 积分的相关浅析43-48

    4.3.1 计算轧辊裂端 J 积分43-44

    4.3.2 J 积分在 ANSYS 中的实现44-45

    4.3.3 J 积分的结果浅析45-48

    4.4 本章小结48-50

    5.含表面裂纹工作辊的疲劳失效不足特性浅析50-59

    5.1 疲劳破坏断裂论述描述50-51

    5.2 疲劳失效不足浅析计算51-58

    5.2.1 疲劳寿命计算51-52

    5.2.2 工作辊的疲劳计算在 ANSYS 中的实现52-55

    5.2.3 计算结果特性浅析55-58

    5.3 本章小结58-59

    6.结论与展望59-62

    6.1. 结论叙述59-60

    6.2. 探讨展望60-62

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