申请/专利权人：华北理工大学

申请日：2019-08-29

公开（公告）日：2024-03-22

公开（公告）号：CN110941889B

主分类号：G06F30/20

分类号：G06F30/20;G06F30/17;G06F111/10;G06F119/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.22#授权;2020.04.24#实质审查的生效;2020.03.31#公开

摘要：本发明公开了一种连铸异型坯微观和宏观裂纹萌发和扩展的研究方法，通过ANSYS模拟出异型坯在结晶器中的温度场和应力场，从而找出铸坯裂纹最易萌生与扩展的位置；然后采用ABAQUS有限元软件和扩展有限元法，并结合高温断裂实验，基于XFEM模拟铸坯表面裂纹的扩展行为；最后通过上一步计算得出的裂尖单元应力与位移，以此为边界条件，模拟细观条件下晶体裂纹的萌生与扩展行为。可以提出对生产工艺条件的优化建议，以减少铸坯表面的缺陷，特别是裂纹的问题，解决了当前工程上难以有效解决异型坯的表面裂纹问题。

主权项：1.一种连铸异型坯微观和宏观裂纹萌发和扩展的研究方法，包含以下步骤：步骤1）异型坯连铸结晶器内的热力耦合分析是基于连铸坯壳应力遗传特性，考虑了连铸中应力场会连续继承，使得结晶器上部位置产生的缺陷可在下部位置得到体现，同时考虑了加载温度和钢水静压力时铸坯实体的变化的事实，利用多载荷步法建立了结晶器内铸坯凝固热力耦合模型，在考虑锥度和气隙的情况下，根据ANSYS模拟出的温度场和应力场，计算温度场、铸坯各位置的坯壳厚度、等效应力、最大主应力和宽窄面应力，找出铸坯裂纹最易萌生与扩展的位置；异型坯在结晶器中不同位置的温度分布云与各特征点的温度变化曲线，温度场计算结果与前人研究相吻合；铸坯各位置的坯壳厚度计算：异型坯各位置在结晶器中坯壳厚度的变化过程；由各特征点的等效应力变化曲线可知，腹板处的等效应力一直呈现出增长趋势，在结晶器后半段达到最大值且大于翼缘内角；铸坯的表面裂纹在结晶器的中部容易萌生与扩展，最易出现位置为腹板处，其次为R角；结合温度场和最大主应力的结论为：在铸坯宽面更容易萌生表面纵裂，包括在结晶器的中部；结合温度场，最易出现位置为腹板处，其次为R角；步骤2）异型坯表面裂纹宏观扩展研究，异型坯表面裂纹宏观扩展研究分析是基于步骤1进行的后期研究，提取步骤1中容易产生裂纹位置处材料的温度值和应力值，用GLEEBLE-3500对上一步对应温度下的材料进行屈服应力和断裂韧度测试，获得对应温度下材料的高温热物性参数，再基于断裂力学方面临界断裂韧度判据指标，利用ABAQUS及其结合的X-FEM方法，对预制裂纹的模型施加步骤1提取出来的应力值作为载荷力进行初始裂纹扩展的动态模拟，模拟结晶器内异型坯腹板处与R角处的表面裂纹的扩展情况；裂纹建模：基体模型的建立是通过ABAQUS的子模型模块来实现的，子模型技术不仅能够保存整体模型的力学边界条件，还能保证在此基础上进行后续的应力分析而不受影响；通过扩展有限元法模拟了裂纹易发位置腹板与R角处的裂纹扩展过程；在相同的材料参数和外力条件之下，表面纵裂纹更容易扩展，扩展量也最大；而表面横裂纹则最不易发生扩展，扩展量也最小；与拉坯方向呈30°角与60°角的裂纹扩展过程中方向会发生偏折，但主要是沿着拉坯方向扩展，即纵向扩展；与拉坯方向呈相同角度的表面裂纹，腹板处裂纹的扩展量明显大于在R角处扩展量，说明腹板处更容易出现裂纹；步骤3）异型坯晶体内裂纹萌生及扩展模拟，异型坯晶体内裂纹萌生及扩展模拟是指通过MATLAB建立异型坯多晶Voronoi图，然后导入ABAQUS中建立不同形式的多晶模型，运用ABAQUS中的X-FEM方法，基于细观损伤力学中的渐进衰坏为判据指标，利用完全隐式应力迭代算法，并利用步骤2对应温度下材料的物性参数，及提取步骤2计算得到的裂尖单元的应力和位移值，以此作为边界条件施加于多晶模型上，在ABAQUS软件中开展无缺陷晶体的应力应变分析、含多条裂纹的多晶体模型分析、含不同气孔率的多晶体模型分析和含不同比例夹杂的多晶体模型分析，进行多晶模型的裂纹扩展模拟，进而对宏观裂纹的产生及工艺优化提供理论指导；多晶体模型的建立主要是通过MATLAB软件编程实现的，利用相关的程序画出Voronoi图；多晶模型晶界和晶内应力应变分布不同，晶界处的应力应变值明显大于晶内；晶体内裂纹的扩展方向基本与宏观裂纹扩展方向相同，都是朝着垂直于拉应力的方向扩展，并且此方向的裂纹扩展量也最大；位于晶界处裂纹的扩展量明显高于晶内裂纹的扩展量；裂纹与拉应力所呈角度和裂纹最后的扩展方向无关，其对裂纹扩展的影响主要体现在裂纹发生扩展的时间、顺序及最终扩展的位移上；气孔的应力分布存在一定的规律性，与拉应力方向垂直的气孔端部存在应力集中；气孔率的增加，使得多晶模型变形范围增大；不同气孔率下，气孔均在与拉应力垂直的方向发生扩展聚集，应变的局部化导致孔洞不断聚合扩展，裂纹开裂往往从此方向开始；不同夹杂率下的应力集中现象均发生在夹杂处，且夹杂处产生应变最小，导致裂纹会沿着夹杂方向扩展，从而造成材料的破坏与断裂；夹杂率越高，夹杂应力集中越明显，夹杂周围基体的变形越大；夹杂物和气孔对裂纹萌生和扩展都有一定影响，但是气孔对裂纹萌生及扩展的影响比夹杂物更大些；拉速增加，PHILSM值增大，表示裂纹面逐渐增加，说明拉速增加利于裂纹扩展；这与拉速升高，结晶器相同位置处铸坯表面温度升高，从而对应的铸坯材料参数变差，导致裂纹易开裂；过热度增加，裂纹扩展位移函数PHILSM值也逐渐增大，说明过热度增大，利于裂纹扩展；拉速增加引起的PHILSM值增加的幅度大于过热度增加引起的PHILSM增加的幅度；说明相对于过热度的增加，拉速增加更有利于铸坯裂纹扩展；通过宏观和细观裂纹模拟，发现铸坯中夹杂和气孔率增加都有利于裂纹扩展，且气孔对裂纹扩展高于夹杂物；拉速和过热度的增加也都利于铸坯裂纹扩展，且拉速增加更有利于铸坯裂纹扩展。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 华北理工大学 连铸异型坯微观和宏观裂纹萌发和扩展的研究方法

免责声明
1、本报告根据公开、合法渠道获得相关数据和信息，力求客观、公正，但并不保证数据的最终完整性和准确性。
2、报告中的分析和结论仅反映本公司于发布本报告当日的职业理解，仅供参考使用，不能作为本公司承担任何法律责任的依据或者凭证。

阅读全文 双屏查看 官方信息 专利公告 收藏专利 下载PDF 下载WORD