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0　前言自主创新,方法先行,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)。

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CAE 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目前,根据市场需求相继出现了各种类型的应用软件,其中NAST RAN 、AD I N A 、ANSYS 、ABAQUS 、MARC 、MAGS OFT 、COS MOS 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。

MSC 1Soft w are 公司创建于1963年,总部设在美国洛杉矶,MSC 1Marc 是MSC 1Soft w 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Marc 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MSC 1Nastran 软件被美国联邦航空管理局(F AA )认证为领取飞行器适31航证指定的唯一验证软件。

在中国,MSC1Soft w 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MSC1Nastran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G L、中国船级社CCS等8家国际船级社协会的成员采用Nas2 tran软件作为船舶分析的验证软件。

MSC1Marc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能;全自动三维网格重划分。

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CADOE子公司、致力于工程咨询和流体前后处理软件开发的美国I EC M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10000多家正式商业用户(总装机超过80000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。

ABAQUS公司成立于1978年,ABAQUS是一套功能强大的工程模拟有限元软件,其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。

ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。

作为通用的模拟工具,ABAQUS除了能解决大量结构(应力/位移)问题,还可以模拟其他工程领域的许多问题,例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析(流体渗透/应力耦合分析)及压电介质分析。

ABAQUS能自动选择相应载荷增量和收敛限度,不仅能够选择合适参数,而且能连续调节参数以保证在分析过程中有效的得到精确解,用户通过准确的定义参数就能很好的控制数值计算结果。

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。

211　高炉过程有限元仿真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。

运用创建的高炉数学模型,可以对高炉内以下现象进行详尽而科学的解析:1)气、固、液、粉相(包括未燃煤粉和炉内41固体物料粉化产生的粉相)的行为;2)炉内的温度分布;3)炉内的热消耗和热分配分析;4)软熔带位置的预测及其对高炉冶炼的影响;5)含铁原料的还原过程;6)高炉生产时炉型的预测;7)炉内煤气的产生和消耗;8)炉内主要反应的发展(特别是间接还原、直接还原、燃烧、焦炭气化溶损等);9)死料柱特性及其更新对高炉操作的影响;10)高炉操作指标的预测(生铁产量、渣量、冶炼强度、焦比、煤比、炉顶煤气温度、气体利用率等)。

利用和改进高炉数学模型对可能采取的操作技术和炼铁新技术进行精确的数学模拟和理论分析,给出高炉的性能变化,预测可能出现的问题,包括: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;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。

212　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,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。

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。

213　成型过程的有限元模拟仿真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51法难以得出科学结论,仿真模拟即成为了解决问题的重要手段。