[发明专利]一种层流U形冷却过程有限元仿真计算方法

权利要求书

1.一种层流U形冷却过程有限元仿真计算方法，其特征在于，所述计算方法具体步骤如下：

1)带钢简化模型建立；

2)确定钢种及物性参数；

3)确定初始条件；

4)确定边界条件；

5)确定分析步；

6)相变模型；

7)网格划分；

8)层流U形冷却模型建立；

9)U形冷却曲线拟合；

10)U形冷却温度场计算结果及验证

根据U形冷却头中尾的温度工艺要求，进行各温度点、温度场计算及结果验证；

11)U形冷却各温度点相变计算及结果验证；

12)U形冷却参数优化

根据以上计算及校核结果，对U形冷却工艺参数进行优化，即优化U形冷却热头热尾长度及温度等，如计算的热尾长度正常，实际控制偏短，则将工艺设计的热尾长度值相应增加。

2.根据权利要求1所述的层流U形冷却过程有限元仿真计算方法，其特征在于，所述步骤1)中带钢简化模型建立；具体如下，热轧带钢的形状是薄的长方形，宽度方向是对称的，建模时，进行对称处理，取带钢宽度上的一半建立模型，以简化计算负荷与时间；所述步骤2)确定钢种及物性参数具体如下，确定U形冷却钢种的化学成分，C、Si、Mn、P、S等，在温度-相变耦合中定义材料的属性：比热、热传导率、密度等，上述参数直接从热轧二级机系统中调取。

3.根据权利要求2所述的层流U形冷却过程有限元仿真计算方法，其特征在于，所述步骤3)确定初始条件具体如下，将带钢宽度方向的温度作为初始温度，获取方法是：现场测量精轧出口带钢宽度方向上的温度分布曲线，为保证模型的收敛及ABAQUS仿真计算的输入，将该曲线拟合成一条6次多项式y＝15427x⁶+30464x⁵+20970x⁴+6378.6x³+856.99x²+41.919x+920.33，输入计算模型。

4.根据权利要求3所述的层流U形冷却过程有限元仿真计算方法，其特征在于，所述步骤4)确定边界条件具体如下，热分析中，边界条件主要包括对流换热和热辐射。水冷阶段主要是对流换热，其系数随温度的增大减小；空冷阶段，带钢与空气的对流换热效率低，采用Chappidi和Gunnerson的辐射公式

5.根据权利要求4所述的层流U形冷却过程有限元仿真计算方法，其特征在于，所述步骤5)确定分析步具体如下，根据带钢运行速度和各冷却段的长度，计算出各段冷却时间，即为对应的分析步长(单位为S)，确定带钢在层流辊道上空冷段数m和水冷段数n，如前段冷却的热轧带钢，在层流辊道上需要经过空冷→水冷→空冷→水冷→空冷的过程，则空冷段数m＝3，水冷段数n＝2。

6.根据权利要求4或5所述的层流U形冷却过程有限元仿真计算方法，其特征在于，所述步骤6)相变模型具体如下，相变计算包括相变生热及材料的本构关系等，通过模型子程序HETVAL，在CAE的材料属性中定义生热，在有限元计算时自动调用。采用经典JMAK方程做为相变过程的动力学方程，根据Scheil叠加原理，将连续冷却过程离散化处理，离散成多个等温转变过程，其相变动力学方程为：其中，式中Δti是第i增量步的时间增量。

7.根据权利要求6所述的层流U形冷却过程有限元仿真计算方法，其特征在于，所述步骤7)网格划分具体如下，热传递分析中选择DC2D4的单元格类型，网格形状为四面体，网格密度的划分需要对宽度方向和厚度方向分别布种：厚度方向为均匀的6个网格，因为带钢边部温度变化较大，宽度方向采用偏移的方式进行布种，所以边部划分细网格，中部划分较大网格。

8.根据权利要求7所述的层流U形冷却过程有限元仿真计算方法，其特征在于，所述步骤8)层流U形冷却模型建立具体如下，模拟U形冷却中间低，头尾高的过程，建立如权利1的对称有限元模型，由于建立全长的计算模型过于庞大，综合考虑，模型长度取3m，宽度方向考虑温度分布的对称性，取一半建立模型，进行网格划分。

9.根据权利要求8所述的层流U形冷却过程有限元仿真计算方法，其特征在于，所述步骤9)U形冷却曲线拟合，具体如下，带钢U形卷取策略是通过调节长度方向不同位置的冷却水量实现的，因此在有限元模型中通过设置带钢头尾和中部水冷阶段不同的冷却效率加以实现，计算模型中，水冷阶段的换热系数中间高，两边低，故在水冷阶段中部冷却较快，头尾冷却较慢。因此设计对流换热系数在带钢不同位置处不同的冷却效率，为方便输入模型，采用六次高斯曲线对设计值进行拟合，其函数形式如下：

Y＝a₁*EXP(-((X-b₁)/c₁)^2)+a₂*EXP(-((X-b₂)/c₂)^2)+a₃*EXP(-((X-b₃)/c₃)^2)+a₄*EXP(-((X-b₄)/c₄)^2)+a₅*EXP(-((X-b₅)/c₅)^2)+a₆*EXP(-((X-b₆)/c₆)^2)+a₇*EXP(-((X-b₇)/c₇)^2)。