隨著人們對生活質量要求的不斷提高,刺激了空調冰箱制冷領域的空前發(fā)展。水平連鑄得到的銅管坯銑面后通常是在三輥行星軋機上進行軋制開坯,管坯由鑄態(tài)組織經軋制碾壓破碎、再結晶后成為完全再結晶組織,同時在軋出端設置冷卻水套,使軋出管坯晶粒細小均勻,為后道拉伸工序提供高質量的管坯。在實際生產應用中,冷卻水套的結構參數和冷卻工藝參數對冷卻水套內部流體的流動情況有著重要的影響,直接影響冷卻水套內軋件的溫度場分布,軋件溫度的大小及分布情況是決定軋件晶粒大小和組織分布的重要因素,軋件最終力學性能的差異取決于軋件冷卻后晶粒大小及組織分布情況。本文的主要研究內容如下:(1)根據當前現有銅管廠三輥行星軋制的工藝特點,利用大型非線性有限元軟件ABAQUS建立起銅管三輥行星軋制過程的三維熱力耦合仿真模型,采用C3D8RT八結點熱耦合六面體單元、采用三向線性位移、三向線性溫度、減縮積分和沙漏控制,使用Explicit顯示動力學對三輥行星軋制過程進行了有限元模擬,利用ALE網格自適應功能解決了銅管軋制過程中因壓下量很大出現的網格嚴重畸變而導致的計算不收斂的問題,實現了管坯從咬入到穩(wěn)定軋制的行星軋制全過程有限元模擬,得到了軋制后軋件的溫度場和應力場結果。(2)根據當前現有銅管廠軋后冷卻過程工藝特點,利用有限元軟件FLUENT建立了冷卻過程的冷卻水模型,借助數據交換平臺耦合ABAQUS和FLUENT軟件,建立了基于數據交換平臺的考慮運動因素的熱-流-固耦合有限元模型,以軟件ABAQUS建立起的三輥行星軋制過程的三維熱力耦合仿真模型計算模擬得到的軋制后軋件的計算結果作為初始條件,對軋件冷卻全過程進行了有限元模擬,探討分析了冷卻水套中流場的壓力場和速度場分布情況以及軋件冷卻過程中的溫度場的分布情況。(3)利用數據交換平臺建立起來的熱流固耦合耦合仿真模型對冷卻水套的結構參數進、出水口半徑和冷卻工藝參數入水壓力進行優(yōu)化,得到了不同參數變化對軋件溫度場的影響規(guī)律,以溫度均勻性作為評價標準,對冷卻水套進水口和出水口位置進行優(yōu)化改造,分析了進、出水口分布位置對冷卻水套內部流體壓力場和速度場以及冷卻過程中軋件溫度場的影響規(guī)律。(4)從工廠實際生產的軋件中取樣做成金相試樣件,進行金相實驗和顯微硬度實驗;并利用Gleeble型熱模擬機,按照數值模擬得到的熱循環(huán)曲線對工廠取樣得來的銅管坯母材進行熱模擬實驗,后進行金相實驗和顯微硬度實驗;通過對比分析工廠生產試樣和熱模擬試樣的金相組織和顯微硬度驗證了模型的準確性。
【學位單位】：燕山大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TG335.7
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 課題研究背景
    1.2 國內外銅管生產研究現狀
        1.2.1 鑄軋法
        1.2.2 銅管三輥行星軋制過程工作原理與特點
        1.2.3 銅管三輥行星軋后冷卻過程工作原理與特點
    1.3 軋制過程有限元數值模擬的研究現狀
    1.4 軋后冷卻過程有限元數值模擬的研究現狀
    1.5 本文的研究意義及內容
第2章 銅管三輥行星軋制過程和冷卻過程相關理論
    2.1 引言
    2.2 傳熱分析理論
        2.2.1 熱傳遞基本方式
        2.2.2 傳熱學基本方程
    2.3 流體動力學基本控制方程
        2.3.1 連續(xù)性方程
        2.3.2 動量方程
        2.3.3 能量方程
    2.4 三維湍流模型
        2.4.1 湍流基本方程
        2.4.2 標準k-ε模型
        2.4.3 壁面函數法
    2.5 熱力耦合分析理論
        2.5.1 連續(xù)性方程
        2.5.2 運動方程
        2.5.3 能量方程
    2.6 熱流固耦合分析數值計算軟件的選擇
        2.6.1 ABAQUS有限元軟件
        2.6.2 FLUENT有限元軟件
        2.6.3 數據交換平臺
    2.7 本章小結
第3章 銅管三輥行星軋制和冷卻全過程數值模擬
    3.1 引言
    3.2 銅管三輥行星軋制和冷卻全過程數值模擬思路
    3.3 軋制過程熱力耦合有限元模型
        3.3.1 幾何模型的建立
        3.3.2 材料屬性、邊界條件及網格劃分
    3.4 冷卻水模型的建立
        3.4.1 幾何模型的建立
        3.4.2 網格劃分
        3.4.3 材料屬性及邊界條件
    3.5 熱流固耦合有限元模型的建立
        3.5.1 熱流固耦合有限元結構模型的建立
        3.5.2 熱流固耦合有限元流體模型的建立
        3.5.3 考慮運動因素的熱流固耦合有限元模型的設置
    3.6 速度場、壓力場和溫度場模擬結果分析
        3.6.1 速度場和壓力場總體分析
        3.6.2 軋件溫度場穩(wěn)定性研究
        3.6.3 不同時刻軋件模擬結果及分析
        3.6.4 軋件沿圓周方向各點數據分析
        3.6.5 軋件沿徑向各點數據分析
    3.7 本章小結
第4章 冷卻水套結構改造及模擬分析
    4.1 進水口大小研究
    4.2 出水口大小研究
    4.3 進水壓力研究
    4.4 進水口分布位置研究
        4.4.1 進水口分布位置改造方案
        4.4.2 速度場和壓力場總體分析
        4.4.3 軋件溫度場均勻性分析
    4.5 出水口分布位置的研究
        4.5.1 出水口分布位置改造方案
        4.5.2 速度場和壓力場總體分析
        4.5.3 軋件溫度場均勻性分析
    4.6 本章小結
第5章 有限元模型的驗證
    5.1 試件的選取
        5.1.1 工廠實際生產試件的取樣方案
        5.1.2 Gleeble熱模擬試件的取樣方案
    5.2 金相實驗
        5.2.1 工廠試件金相實驗
        5.2.2 熱模擬試件金相實驗
        5.2.3 兩種金相實驗結果對比分析
    5.3 顯微硬度實驗
        5.3.1 顯微硬度實驗方案
        5.3.2 實驗數據分析
    5.4 本章小結
結論
參考文獻
攻讀碩士學位期間承擔的科研任務與主要成果
致謝

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