【摘 要】
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裂纹是常见的连铸坯缺陷,在实际生产中极容易导致铸坯判废,甚至引起拉漏,造成巨大的经济损失和安全隐患。普遍认为,裂纹与钢液在结晶器内初始凝固过程中复杂的传热和力学行为密切相关,围绕连铸坯初始凝固过程中传热、应力行为的数值模拟研究,成为连铸工艺优化和铸坯质量控制的重要内容。与基于网格的数值模拟方法相比,无网格方法通过离散节点回避了拓扑结构复杂、节点编号和信息传递等问题,在模拟分析界面移动相关问题时展现
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裂纹是常见的连铸坯缺陷,在实际生产中极容易导致铸坯判废,甚至引起拉漏,造成巨大的经济损失和安全隐患。普遍认为,裂纹与钢液在结晶器内初始凝固过程中复杂的传热和力学行为密切相关,围绕连铸坯初始凝固过程中传热、应力行为的数值模拟研究,成为连铸工艺优化和铸坯质量控制的重要内容。与基于网格的数值模拟方法相比,无网格方法通过离散节点回避了拓扑结构复杂、节点编号和信息传递等问题,在模拟分析界面移动相关问题时展现出极大的灵活性,具有良好的计算精度和积分稳定性。鉴于此,本文建立了基于无网格伽辽金法的连铸板坯传热-应力数值计算模型,计算并分析了板坯在结晶器初始凝固过程中的传热和力学行为,主要工作内容如下:针对连铸板坯在结晶器初始凝固过程中的传热行为和特征,通过傅里叶热传导定理推导出板坯二维非稳态传热控制方程,依据移动最小二乘法构造场量近似函数,通过加权余量法和变分原理得到伽辽金弱解形式,推导出传热离散方程以及欧拉向后差分时间离散格式,建立了结晶器内板坯传热-凝固无网格伽辽金数值计算模型。以建立的铸坯传热模型为基础,依据无网格伽辽金法和热弹塑性力学基本原理,推导出铸坯热弹塑性应力控制方程,得到伽辽金积分弱形式,利用罚函数法施加本质位移边界条件,得到位移离散方程及应力应变增量本构方程,建立了基于无网格伽辽金法的板坯热弹塑性应力数值计算模型。将背景网格积分法与高斯积分法相结合,对数值计算模型进行积分求解。基于建立的无网格伽辽金法数值计算模型和积分求解方案,采用C++程序设计语言,开发了面向对象的板坯传热-应力无网格伽辽金法数值计算程序。以建立的数值计算模型和程序为基础,将由实测铜板温度反算得到的结晶器热流作为边界条件,对某钢厂的Q345C板坯在结晶器内的传热与力学行为进行了计算和分析。着重分析了初生坯壳在结晶器内温度、应力和应变的非均匀分布特性,讨论了铸坯角部与偏角部的传热与力学行为。研究结果验证了无网格伽辽金法计算铸坯非均匀传热、力学行为的可行性和适用性,为无网格伽辽金法应用至铸坯裂纹萌生与扩展的研究提供了基础和参考。
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