基于数值模拟的复合板界面结合强度的工艺参数控制方法
【技术领域】
[0001]
本发明涉及复合板的乳制工艺，尤其是涉及一种基于数值模拟的复合板面结合强度的工艺参数控制方法。
【背景技术】
[0002]复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。
[0003]不锈钢复合板是将基材碳钢Q345与复层不锈钢316L或31S在高温高压下冶金结合一起，使其成为具有特殊复合特性的整体新材料，属于双金属复合板。不锈钢复合板兼具覆层不锈钢的耐腐蚀性和基体碳钢的结构强度与刚度，在使用性能上能够相互取长补短。
[0004]乳制法是最早用于生产复合板的方法之一，也是目前生产复合钢板和其它复合金属板的普遍和常用的方法。根据乳制温度的差异，可以分为热乳复合和冷乳复合。
[0005]热乳复合是将复材和基材组合焊接并通过高温乳制过程实现复材与基材的牢固冶金结合的生产工艺。
[0006]为了保证复合板有足够的界面结合强度，通常需要有较大的下压量，导致乳制力的增加，从而增加了乳机设备的负担。然而通过调整工艺参数可以在保证界面结合强度的前提下有效减小乳制力，有利于减小设备的负担。
【发明内容】
[0007]本发明的目的通过优化乳制过程中的工艺参数，使乳制设备在最小的负担下保证界面的结合强度，实现对复合板的乳制。减少通过试制确定工艺参数所造成的能源消耗，提高工作效率。
[0008]本发明的目的可以通过以下技术方案实现:
一种基于数值模拟的复合板界面结合强度的工艺参数控制方法，所述工艺参数控制方法方法对复合板乳制过程建模并进行有限元分析，综合分析乳制过程中的各个工艺参数得到优选结果，减少了通过试制确定工艺参数所造成的能源消耗。
[0009]进一步的，所述方法具体步骤如下:
步骤I)获取复合板板层的物性参数；
步骤2)建立复合板和乳辊的几何模型；
步骤3)将步骤I)中复合板板层的物性参数导入步骤2)的几何模型中；
步骤4)设定分析步中的场输出变量，用以确定复合板板层结合的条件；
步骤5)把影响结合的工艺参数设定为边界条件和载荷，计算分析后得到优选结果。
[0010]进一步的，所述步骤I)具体为:获取900?1300°C温度范围内低碳钢Q345与不锈钢L316的塑性参数;获取100?1150°C温度范围内低碳钢Q345与不锈钢L316的塑性参数膨胀系数;获取25?1500°C温度范围内低碳钢Q345与不锈钢L316的传导率和比热。
[0011 ]进一步的，所述步骤2)具体为:建模复合板为可变形体，乳辊为解析刚体，根据模型的对称性采用1/8模型进行计算，施加的相互作用为:表面热交换条件、表面辐射、乳辊与复合板表面接触;对复合板组枉模型进行分区，分区采用C3D8RT单元进行网格划分进，界面处网格密度较大。
[0012]进一步的，所述步骤4)具体为:当板层接触界面上法向正应力与复层不锈钢材料变形抗力之比大于I时界面发生粘合。
[0013]进一步的，所述步骤5)具体为:向步骤3)的模型中带入乳制过程初始的工艺参数，求出法向正应力与复层不锈钢材料变形抗力之比，满足步骤4)条件则得出优选结果，否则对工艺参数进行调整重新带入。
[0014]进一步的，所述工艺参数包括:乳制力参数、乳制温度参数、压下量参数、乳制道数参数、乳制速度参数和乳棍直径参数中的一项或多项。
[0015]本发明方法通过计算机数值模拟，充分发挥了计算机数值模拟在仿真预测方面的优势，以实现复合板乳制过程中界面结合强度工艺参数的优化，减少了通过试制确定工艺参数所造成的能源消耗，提高了工作效率。
【附图说明】
[0016]
图1a复合板乳制前的组枉模型；
图1b复合板乳制后的模型；
图2a不同乳制温度下界面法向正应力与材料流变应力；
图2b不同乳制温度下界面复合的临界单道次压下量；
图3a不同单道次压下量下界面法向正应力与材料流变应力比值；
图3b单道次压下量与完成复合所需道次数量关系曲线；
图4不同乳制速度下界面法向正应力与材料流变应力及其比值；
图5不同乳辊直径下界面法向正应力与材料流变应力；
图6不同压下率下乳制复合板表面随时间变化曲线；
图7不同乳制速度下复合板表面温度随时间变化曲线。
【具体实施方式】
[0017]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0018]相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。下面结合附图与【具体实施方式】，对本发明进一步说明。
[0019]低碳钢Q345与不锈钢L316的硬度、强度、变形抗力等力学性能方面存在差异，乳制时板坯上下受力不对称，板材易向变形抗力大的金属一侧弯曲。因此复合板乳制时一般采用对称乳制(坯料组合呈对称性)，即可保持良好的板型，又提高了生产效率。
[0020]不锈钢复合板对称乳制时的组坯方案主要有两种:内包覆ABBA(复层不锈钢在内层)和外包覆BAAB(复层不锈钢在外层)。本发明采用的是内包覆ABBA组坯方案。复合板的组枉模型(图la)，复合板乳制后的模型(图lb)。
[0021]所述的复合板乳制过程包括:首先将组枉好的复合板放入加热炉中加热至一定的温度，保持一定的时间；然后选择多道次乳制，每道次选择相应的压下量;最后对乳制后的复合板进行水冷，选择合适的冷却速度，保持一定的时间后进行空冷。将乳制后的复合板进行机械切割分离。
[0022]本发明基于数值模拟的复合板界面结合强度的工艺参数控制方法，所述工艺参数控制方法方法对复合板乳制过程建模并进行有限元分析，综合分析乳制过程中的各个工艺参数，通过各个工艺参数的结合以实现复合板乳制过程中界面结合强度工艺参数的优化得到优选结果，减少了通过试制确定工艺参数所造成的能源消耗，所述的工艺参数具体包括:乳制力、乳制温度、压下量、乳制道数、乳制速度、乳辊直径；
所述方法具体步骤如下:
步骤I)获取复合板板层的物性参数:通过实验获取900?1300 °C温度范围内低碳钢Q345与不锈钢L316的物性参数;获取100?1150°C温度范围内低碳钢Q345与不锈钢L316的塑性参数膨胀系数;获取25?1500°C温度范围内低碳钢Q345与不锈钢L316的传导率和比热。
[0023]准确的材料模型是正确进行有限元模拟分析的关键，不锈钢热乳复合过程总压下量很大，导致材料在变形过程中产生升温，同时由于接触换热和对流换热作用，表面温度降低，因此在进行有限元计算分析时，必须得到316L不锈钢和Q345R碳钢在高温下的变形抗力曲线和热膨胀系数曲线，其它热物性参数还包括杨氏模量、泊松比、热传导系数、比热等。运用Gleeble1500热模拟试验机对不锈钢和碳钢试件进行了压缩实验，根据实际乳制中不锈钢复合板的温度以及变形速率区间，每隔50°C设定一个实验温度测量点，共设定900°C、950°C、1000 °C、1050 °C、1100 °C、1150 °C、1200 °C等七个温度点。在每个温度点分别做0.I s_l、Is-1、和10 s-Ι三种应变速率的实验工况。从而获得不锈钢和碳钢在不同温度和变形速率下流变应力曲线，从曲线上取点输入到abaqus塑性参数中。
[0024]利用DIL801热膨胀仪测试获得不锈钢316L和碳钢Q345R的热膨胀系数随温度变化曲线。根据在已知温度下的热物理参数和材料各元素成分比重，经软件JmatPro计算得到材料密度、比热、热导率、弹性模量、泊松比等热物理参数随温度变化关系曲线，将以上参数输入到abaqus的材料属性定义中。
[0025]步骤2)建立复合板和乳辊的几何模型:建模复合板为可变形体，乳辊为解析刚体，根据模型的对称性采用1/8模型进行计算，施加的相互作用为:表面热交换条件、表面辐射、乳辊与复合板表面接触;对复合板组枉模型进行分区，分区采用C3D8RT单元进行网格划分进，界面处网格密度较大。
[0026]不锈钢复合板模型进行了如下假设和简化:
(1)忽略板坯上、下表面传热和受力的差别，假设其传热和力学状态具有对称性；
(2)乳辊在高温热乳过程中弹性变形很小，将其定义为刚性；
(3)复合板中各层材料均假定为各向同性弹塑性材料；
(4)乳制环境温度为室温，取30°C。
[0027]由于板坯厚度较大而长宽方向尺寸较小，其几何建模过程中四周边条及焊接结构对乳制变形的影响不可忽略，采用C3D8RT单元对板坯进行网格划分，1/4简化乳制模型及板坯几何网格模型如图1 a。
[0028]步骤3)将步骤I)中复合板板层的物性参数导入步骤2)的几何模型中。
[0029]步骤4)设定分析步中的场输出变量，用以确定复合板板层结合的条件:当板层接触界面上法向正应力与复层不锈钢材料变形抗力之比大于I时界面发生粘合。
[0030]目前关于界面结合的判定准则主要包括两种:一种是应变结合准则，从乳制界面变形角度出发，要求组坯材料各自变形量达到或超过某一阈值，该值随着复合组元材料、加热温度、初始厚度及压下量等因素的变化而有所区别。一般通过试验方法近似确定临界压下率，其影响因素间的定量及耦合关系不易获得，同时对于大厚度不锈钢/碳钢复合板的多道次真空热乳复合过程，试验确定具体某个中间道次的界面结合情