目前, 根据市场需求相继出现了各种类型的应 用 软 件, 其 中 NASTRAN、 ADINA、 ANSYS、 ABAQUS、MARC、MAGSOFT、 COSMOS等 功能强 大的 CAE 软件应用广泛, 为实际工程中解决复杂 的理论计算提供了非常有力的工具。但是, 各种软 件均有各自的优势, 其应用领域也不尽相同。本文 将就有限元的应用范围及当今国际国内 CAE 软件 的发展趋势做具体的阐述, 并对与冶金企业生产过 程密切相关的主要有限元 软件 ANSYS、 ABAQUS、 MARC 的应用领域进行分析。
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2 仿真模拟技术在冶金生产中的应用
计算机模拟与仿真技术在国内外冶金行业已经 广泛应用, 并取得了显著的效果, 冶炼、精炼、连 铸、轧制过程的流场、温度场、应力场以及金属组 织性能的预测与控制, 钢铁制造过程的成分与板形 精确控制、工艺技术优化、新产品开发的预先模拟 试验, 结晶器设计、烧结配料优化、焦化过程优化 与产品性能预测、高炉炉壳变形诊断、高炉内部仿 真、转炉 内腔优化、精 炼过程控制、轧制过 程仿 真、产品质量预报等都需要模拟与仿真。它不但可 以节约新产品、工艺开发时间和费用, 提高试验成 功率, 而且, 容易形成企业自主知识产权的工艺与 产品, 从国内外钢铁企业的发展来看, 企业的核心 技术大部分来自于计算机模拟与仿真技术以及数据 积累而形成的精确控制模型。 2 1 高炉过程有限元仿真
炼钢过程中夹杂物的行为比较复杂, 影响因素 如脱氧工艺、渣的成分、气 氛以及容器内 的流动 等。传统实验比较困难, 通过模拟仿真研究气泡行 为、气泡与夹杂物碰撞、本体流动对夹杂物行为影 响对精炼钢包 (包括抽真空 ) 、连铸中间包和结晶 器内夹杂物行 为进行研究, 需要模拟的主 要问题 为: 气泡的尺寸、数量、运动与夹杂物行为之间的 定量关系, 为夹杂物有效控制提供依据。 2 3 成型过程的有限元模拟仿真
从而预测缩孔、缩松、热裂、冷裂等缺陷出现的可能 性及位置, 为优化连铸工艺提供科学依据, 图 5所示 为炼钢连铸系统有限元仿真应用领域。
图 5 炼钢 连铸系统有限元仿真应用领域。
目前, 随着冶金技术的发展, 对 RH 过程与钢 水中夹杂物的仿真与模拟的研究显得更为重要。
RH 的主要精炼功能为脱碳、脱气、升温、均 匀钢水温度和成分、脱硫和去夹杂等, 是一个伴随 复杂的物理、化学过程, 如循环流动、气泡运动、 混合、燃烧、渣金反应、脱碳、脱氮等等, 通过模 拟仿真, 研究吹 氩方式 ( 吹氩 量、喷咀个 数及分 布 ) 、浸渍管操作参数 ( 内径、浸渍深度、几何形 状 ) 、真空槽和钢包中的熔池深度、抽气速率 ( 真 空度 ) 、吹氧顶枪等对 RH 精炼过程中钢液环流特 性的影响, 寻求影响 RH 精炼装置中循环流量的主 要因素及内在的定量关系, 以及在不增加生产成本 的前提下, 能有效提高钢水处理能力的技术措施, 提高 RH 精炼过程钢液混合特性, 提高 RH 精炼脱 碳速率, RH 精炼全过程工艺参 数优化, RH 精炼 装置内夹杂物行为及去除效果等。
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许荣昌, 等: 有限元仿真技术的发展及其应用
第 4期 (总第 134期 )
航证指定的唯一验证软件。在中国, M SC Softw are 公司的产品通过了全国锅炉压力容器标准化技术委 员 会 的 严 格 考 核 认 证, 作 为 与 分 析 设 计 标 准 JB4732 - 95 相 适 应 的 分 析 软 件。在 船 舶 行 业 M SC N astran是中国船级社指定的船舶分析验证软 件, 包括美 国船级社 ABS、英国 劳氏船级 社 LR、 日本船级 社 NK、挪威船 级社 DNV、韩国船 级社 KR、法国船级社 BV、德国劳氏船级社 GL、中国船 级社 CCS等 8家国际船级社协会的成员采用 Nas tran软件作为船舶分析的验证软件。M SC M arc作 为世界上第一个非线性有限元软件, 具有如下一些 特色: 多种物理场的分析能力; 复合场的耦合分析能 力; 强大的非线性分析能力; 先进的接触分析功能; 并行计算功能; 丰富的单元库; 开放的用户环境; 强 大的网格自适应功先行, 创新方法是自主创新的 根本之源, 同时, 随着市场竞争的日益激烈, 冶金 企业的产品设计、工艺优化也由经验试错型向精益 研发方向发展, 而有限元仿真技术正是这种重要的 创新方法。近年来随 着计算机运行 速度的不断提 高, 有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越 广泛的应用, 比如, 有限元分 析在冶金、航空航 天、汽车、土木建 筑、电子 电器、国防军 工、船 舶、铁道、石化、能源、科学研究等各个领域正在 发挥着重要的作用, 主要表现在以下几个方面: 增 加产品和工程的可靠性; 在产品的设计阶段发现潜 在的问题; 经过分析计算, 采用优化设计方案, 降 低原材 料成本; 缩短 产品研发时间; 模拟试验方 案, 减少试验次数, 从而减少试验成本。与传统设 计相比, 利用仿真技术, 可以变经验设计为科学设 计、变实测手段为仿真手段、变规范标准为分析标 准、变传统分析技术 为现代的计算 机仿真分析技 术, 从而提高产品质量、缩短新产品开发周期、降 低产品整体成本、增强产品系统可靠性, 也就是增 强创新能力、应变能力和竞争力 (如图 1、 2) 。
对高炉数学模型也比较重视, 但开发和实际应 用的多是一些局部模型, 如炉顶布料模型、高炉块状 带炉料运动模型、炉内煤气流运 动模型、软 熔带模 型、高炉炉缸模型、风口回旋区模型, 而全高炉的综 合数学模型的研究比较复杂, 见图 3, 成果较少见诸 于文献资料。目前, 数字化高炉 的研发工作已经 引起国内外主要大型钢铁公司的高度重视, 并且仿 真目标已经延伸到焦化、配料、烧结、热风炉以及非 高炉炼铁技术, 炼铁系统有限元仿真的应用如图 4。
6) 高炉炉顶煤气循环利用对高炉操作的影响 及其对降低环境负荷的功效;
7) 高炉使用热压含碳球团及低温炼铁操作的 数学模拟。 2 2 炼钢与连铸过程有限元模拟仿真
对于高温冶金过程, 数学物理模拟研究方法是 被公认为获取过程信息、优化过程和操作及开发新 工艺新产品的重要手段。仿真技术在炼钢连铸过程 应用最为普遍, 包括转炉全自动炼钢、精炼过程、结 晶器设计、中间包流场优化、水口流场优化、洁净钢 夹杂物去除、连铸轻压下 模拟、连铸 坯凝固过程仿 真、连铸二冷配水优化、连铸轿直过程仿真等, 取得 了显著的经济效益与使用效果。比如对连铸系统的 温度场及应力场进行耦合数值模拟, 包括相变效应、 高温下的塑性蠕变、热物理性质的非线性、凝固金属 与铸型之间的接触影响等等, 可以了解凝固的动态 过程, 较真实地反映系统温度和热应力的发展过程,
应力控制是金属成型过程的关键, 应力按形成 原因分有热应力、相变应力、收缩 应力 ( 机械阻 碍应力 ), 按作用时间长短分为临时应力和残余应 力。其中残余应力对轧件的变形和质量影响很大, 是研究和控制的主体。残余应力按种类又分为热应 力型残余应力、相变应力型 残余应力、收 缩应力 ( 机械阻碍应力 ) 型残余应力, 所以, 传统实验方
图 1 传统创新产品 (工艺优化 ) 设计过程为大循环
作者简介: 许荣昌 ( 1971- ), 男, 1994年毕业于武汉钢铁 学院钢 铁冶金专业, 博士, 高 级工程 师。主要 从事钢 铁工 艺技 术研究 工 作。
图 2 现代 CA E创新产品 (工艺优化 ) 设计过程为小循环
1 主要有限元分析软件简介
M SC So ftw are公司创建于 1963年, 总部设在 美国 洛杉 矶, M SC M arc 是 M SC Softw are 公 司 于 1999年收购的 MARC 公司的产品。MARC 公司始 创于 1967年, 是全球首家非线性有限元软件公司。 经过三十余年的发展, MARC软件得到学术界和工 业界的大力推崇和广泛应用, 建立了它在全球非线 性有限元软件行业的领导者地位。随着 M arc软件 功能的不断扩展, 软件的应用领域也从开发初期的 核电行业迅速扩展到航空、航天、汽车、造船、铁 道、石油化工、能源、电子元件、机械制造、材料 工程、土木建筑、医疗器材、冶金工艺和家用电器 等, 成为许多知名公司和研究机构研发新产品和新 技术的重要工具。在航空业 M SC N astran软件被美 国联邦航空管理局 ( FAA ) 认证为领取飞 行器适
1) 不同布料方式对高炉操作的影响, 确定合 理布料制度;
2) 高风温对高炉操作的影响, 并提出相应的 防范措施, 确定合理风温;
3) 富氧率的增加对高炉操作的影响及相应的 调节手段, 确定合理富氧率;
4) 喷煤量的增加对高炉操作的影响及相应的 调节手段, 确定合理喷煤比;
5) 高炉喷吹含氢物质 ( 塑料、天然气和焦炉 煤气 ) 富氢还原操作对高炉操作的影响;
莱钢科技
2008年 4月
有限元仿真技术的发展及其应用
许荣昌 孙会朝 (技术研发中心 )
摘 要: 介绍了目前常用的大型有限元分析软件的现状与发展, 对其各自的优势进行了分析, 简述了 有限元软件在冶金生产过程中的主要应用领域及其发展趋势, 对仿真技术在莱钢的应用进行了展望。
关键词: 有限元仿真 冶金生产 发展趋势
ANSYS公司成立于 1970年, 总部位于美国宾 西法尼亚州的匹兹堡, 是世界 CAE 行业最著名的 公司之一, 拥有多个在各专业领域提供专业解决方 案的子公司 ( 比如, 致力 于参数优化设计的法国 CADO E 子 公司 、致 力 于 工 程 咨 询 和 流 体前 后 处 理 软件开发的美国 IECM 子公司、致力于流体专业分 析的英国和 加拿大 CFX 产 品分部等 ) , 是公认的 CAE 行业具实力的公司, 专门致力于 CAE 分析仿 真软件的开发及分析咨询服务。全球 10 000多家 正式商业用户 ( 总装机超过 80 000台套 )。 ANSYS 用户涵盖了 航空航 天、汽 车、铁 道、军工、核技 术、造船、电子、能源、石油化工、一般工业、土 木建筑、地矿、水利、生物医学、日用家电、教学 科研等各个领域, ANSYS 是这些领域进行国际国 内分析设计、技术交流的主要分析平台。