1 有限元法應用的理論和方法
1.1應用理論
有限元分析是把乙個連續的、具有無限多自由度的整體劃分成有限個自由度的單元集合體,通過對單元求解實現對整個連續體數值逼近,是伴隨著計算機的發展而產生的一種有效的數值計算方法,廣泛應用於冶金、機械、航空、國防等領域。在鋼鐵軋制變形過程中應用有限元分析,不僅能得出金屬塑性變形的規律,而且還能得出金屬的應力、應變分布規律,是研究金屬軋制過程的一種有效方法。
隨著數值分析方法的逐步完善，尤其是計算機運算速度的飛速發展，整個計算系統用於求解運算的時間越來越少，而準備數值模型和處理計算結果的時間佔整個分析工程的比例越來越高。
1.2有限元法的基本思路
有限元法的基本思路可以歸結為：將連續系統分割成有限個分割槽或單元，對每個單元提出乙個近似解，再將所有單元按標準方法加以組合，從而形成原有系統的乙個數值近似系統，也就是形成相應的數值模型。
2 有限元法在材料加工中的例項分析
2.1降低h型鋼殘餘熱應力的三維有限元**分析
背景近年來,隨著我國社會經濟建設的快速發展和國內鋼結構市場的蓬勃興起,環境保護的法律法規逐步健全, h型鋼作為一種經濟斷面型鋼,已經被廣泛地應用於國民經濟建設的各個領域[1]。國內h型鋼的需求量正日益增加,特別是大型h型鋼生產線在最近幾年已建成多條。隨著對h型鋼研究的不斷深入,殘餘應力的問題相應的突出出來。
特別是大型、小腰腿厚度比的h型鋼。h型鋼斷面複雜,鋼材斷面特別是腰厚與腿厚不一致,軋制過程中由於受自身與外界環境的熱交換等因素的影響,其溫度分布很不均勻。在冷卻過程中腰部由於比翼緣薄會先冷卻,而翼緣部分冷卻較慢。
在溫度差的作用下,在鋼材內部形成很大的熱應力,嚴重時會造成腰部或腿部波浪、鋼材縱向彎曲等現象。
相應的控制熱軋大型h型鋼殘餘應力的研究正在逐步展開。目前國內對h型鋼殘餘應力的研究主要是從變形不均勻的角度出發,往往忽視了溫度不均勻導致的殘餘熱應力部分[2]。本**分析的目的是研究溫度不均勻對h型鋼殘餘熱應力分布的的影響。
分析方法是設計不同的冷卻途徑，得到不同的溫度分布，從而分析不同溫度分布的軋件殘餘熱應力的大小和分布情況。
分析過程
由於軋後h型鋼斷面的溫度分布無法通過測量的方法直接得到,在此為保證h型鋼斷面溫度分布的準確性,首先需要完成h型鋼全軋程的熱力耦合**分析,利用在終軋溫度**計算結果完成h型鋼殘餘熱應力的**分析。具體的**分析包括對軋件斷面溫度場、軋件幾何形狀、應力狀態、剛度等幾方面進行最理想且利於分析的假設。**完成後，設計計算流程、確定邊界條件以及定義必要的結構引數。
此分析中設計了三種情況：
1．軋後h型鋼空冷過程殘餘應力
2．軋後h型鋼翼緣外側強制冷卻對殘餘應力
3．終軋h型鋼斷面溫度分布情況對殘餘應力的影響
情況1相當於空白試驗，只計算空冷1000s，結果：h型鋼空冷後的殘餘熱應力分布複雜,其中在軋件長度方向上, h型鋼腹板部位整體表現為壓應力,翼緣與腹板的連線部位表現為拉應力狀態,同時翼緣端部表現為壓應力狀態;就整個軋件而言,由於受到軋件頭尾自由端的影響,在沿長度方向的殘餘應力分布並非均勻。
情況2對軋件的翼緣外側利用強制冷卻8 s，然後計算空冷1000s。情況2中還有內部的對比，就是冷卻強度的對比。結果：
強制冷卻8 s,由於翼緣外側溫降,該部位金屬收縮,而受內側金屬的限制,這時候表現出來的是:翼緣外側為較強的拉應力狀態,而翼緣內側及腹板表現出來的是較強的壓應力狀態。強制冷卻後進入空冷10 000 s的計算結果,經過強制冷卻後h型鋼殘餘應力分布發生變化,特別是翼緣部位的殘餘應力在厚度方向上分布明顯不均,整個斷面的殘餘拉應力峰值仍舊出現在h型鋼的腿腰連線部位,而壓應力峰值出現轉移,最大壓應力由腹板中心轉移到翼緣外側,即強制冷卻部位。
同時經其強制冷卻後的翼緣厚度方向的應力分布出現不均勻現象,產生外側受殘餘壓應力,內側受殘餘拉應力;當冷卻強度越大,一定時間內的溫降越明顯,最終的殘餘壓應力影響區域在翼緣厚度方向上將會擴大。
情況3通過將斷面最大溫差減小50℃與100℃的兩種情況分別進行計算,以研究終軋斷面溫度分布對殘餘應力的影響。
結論：(1)通過對軋後h型鋼翼緣外側的強制冷卻,可以改變h型鋼長度方向上的殘餘應力在h型鋼斷面的分布狀態,同時可以降低因軋後斷面溫差導致的h型鋼腹板殘餘壓應力;
(2)通過改善h型鋼軋後斷面溫度分布,h型鋼軋後殘餘應力得到改善,其中殘餘拉、壓兩個狀態的應力值均可以降低。
3總結本例項分析中，借助於ls-dyna**軟體,在h型鋼軋制全程的熱力耦合**分析結果的基礎上,。針對述及的熱軋h型鋼產品,根據**結果分析得到:採用軋後強制冷降翼緣外側的方法,可改變h型鋼斷面殘餘應力的分布狀態,降低h型鋼腹板部位的壓應力;同時,可改善h型鋼終軋斷面的溫度分布,降低終軋斷面溫差,使軋後h型鋼殘餘應力得到改善,其中殘餘拉、壓狀態的應力值均可降低。
分析過程中首先需要完成的是h型鋼全軋程的熱力耦合**分析。熱力耦合**分析在有限元中是很重要的，因為在塑性加工過程中，工件在產生塑性變形的過程中往往伴隨著溫度的變化，準確分析這些加工過程的溫度和應力變化不應將溫度場和應力場分開來分析。因為除了溫度變化對結構變形和材料性質產生影響之外，結構變形和性質的變化反過來也會改變熱邊界條件，進而對溫度場的分布產生影響，也就是說溫度和位移兩種不同的場之間存在著很強的相互作用。
為了解決此問題，就需要將溫度和位移兩種不同場同時進行分析，考慮它們之間的耦合作用。mark既可以計算過程中的溫度效應，也可以計算由於工件變形而造成的溫度場變化的效應[3]。
4參考文獻
[1]李慶中.中國國內h型鋼市場分析[j].鋼結構, 2006，21(1):94.
[2]朱國明,康永林,陳偉等.降低h型鋼殘餘熱應力的三維有限元**分析[j]. 軋鋼 ,2007,24(4):22-25.
[3]劉勁松,張士巨集，肖寒等.msc.marc在材料加工工程中的應用[m]. 北京：中國水冷利水電出版社,2010.39.
有限元計算在鋼結構製造中的應用
作者 龐延波楊春松 科技創新與應用 2015年第18期 摘要 文章運用有限元計算軟體ansys和abaqus，針對現代鋼結構製作過程中的焊接變形 吊裝 運輸等工序進行有限元模擬分析，合理簡化計算模型，求得的應力 應變等計算結果指導現場施工，減少現場工作量，保證製造質量。關鍵詞 鋼結構 有限元 計算模...
有限元分析在大型水池結構設計中的應用
摘要 本文首先分析了大型水池結構設計的方法與特點，重點分析了大型水池結構設計的荷載組合以及內力的計算方式，從而使得水池的結構能夠在理論上符合強調的要求，然後以某大型矩形水池的為例，運用有限元分析的方法對水池的結構進行了定量的設計分析，以期為實踐施工提供參考。關鍵字 有限元分析 大型水池結構 設計 應...
輪胎有限元分析法的材料特性描述
多年來，一直認為輪胎分析的成功，得益於使用限單元分析法 fea 很大程度上是依靠精心選擇合適的組成材料模型，及正確地輸入與這些模型相關的材料常量。為了確切地描述超彈體效能，某些材料模型需要從至少3種形變模式中 單向拉伸 雙向拉伸和平面型 輸入應力 應變的測試資料。實際上，在輪胎的所有橡膠成分中做上述...