بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

شبيه سازي عددي مکانيکي -حرارتي مرحله خشن کاري نورد مقطع ميلگرد فولادهاي ساختماني کارخانه کوثر
چکيده :
در اين مقاله مرحله خشن کاري خط نورد ميلگرد فولادهاي ساختماني کارخانه کوثر گروه ملي صنعتي فولاد ايران از جنبه هاي مکانيکي و حرارتي شبيه سازي و تحليل شد. بدين منظور از نرمافزار المان محدود ٦.٥ ABAQUS استفاده شده و نتايج بدست آمده با اطلاعات دمايي اندازه گيري شده در خط فوق و نيز نتايج تجربي ديگر محققان مقايسه گرديد. اين مقايسه توافق خوبي بين نتايج حاصل از شبيه سازي با نتايج تجربي نشان داده است . توزيع تنش در منطقه تغيير فرم و نيز توزيع درجه حرارت در منطقه تغيير فرم و بين دو پاس مورد بحث و بررسي قرار گرفته است .
واژه هاي کليدي: نورد گرم، روش المان محدود، شبيه سازي عددي مکانيکي -حرارتي .


1-مقدمه
به دليل روابط پيچيده حاکم بين متغيرهاي فرآيندهاي شکل دهي فلزات، عموما" طراحي و ارزيابي آن ها به صورت سنتي بر اساس روشهاي تجربي و عملي انجام مي شـده اسـت . از آنجـا کـه ايـن روش هـا بسـيار زمان بر و پرهزينه مي باشند، در سال هاي اخير شبيه سازي عددي در فرآينـد هـاي شـکل دهـي بـه سـرعت تبديل به ابزاري مهم و کارا بـراي طراحـي و بهبـود خـواص محصـولات شـدهانـد. پـيش بينـي دقيـق ابعـاد وخواص محصول در فرآيند نورد داغ ميلگرد، مسـتلزم مـدل سـازي متغيرهـاي مـؤثر شـکل دهـي و رفتـار مکانيکي ماده همچون کرنش پلاستيک، تنش و نحوه توزيع دما مي باشد. اين متغيرها بـه نوبـه خـود بـراي پيش بيني خواص و ساختار ميکروسکوپي نهايي ضروري مي باشند [١].
در گذشته تحقيقات زيادي در زمينه شبيه سازي فرآيند نورد انجام شده است ، اما بيشتر اين تحقيقات در مورد ورق و يا بيلت بودهاند. از آنجا که مطالعات کمي برروي نورد مقاطعي مانند ميلگرد انجام شده است ، تحقيقات بيشتر در مورد شبيه سازي پارامترهاي مؤثر در فرآيند نورد مقطع ، براي کنترل تغيير فرم و خواص نهايي محصول ضروري است .
در کار حاضر فرآيند نورد مقطع ميلگرد از جنبه هاي حرارتي و مکانيکي به روش المان محدود و با استفاده از نرمافزار ABAQUS شبيه سازي شده است . مدل کوپله توسعه داده شده در مقياس سه بعدي قادر است نحوه توزيع حرارت، تنش و نيز کرنش در فلز و در توالي هاي مختلف را ارزيابي نموده و از اين طريق امکان آناليز فرآيند و بررسي ميزان تأثير متغيرهاي مختلف را ميسر سازد.
٢-معادلات حاکم
٢-١-تحليل حرارتي
در حين نورد، معادله انتقال حرارت در جسم به صورت زير بيان مي شود:

که در آن، k ضريب هدايت حرارتي ، C ظرفيت حرارتي ... دانسيته فلز و ، نرخ توليد حرارت است .
در منطقه بين قفسه ها هيچ منبع انرژي در جسم وجود ندشته و سرعت فقط در جهت نورد مي باشد.
بنابراين ترم از معادله (١) حذف مي شود.در اين منطقه گرما به دليل همرفت و نيز تشعشع از شمش خارج مي شود.. بنابراين شرايط مرزي در اين منطقه به صورت زير بيان مي شود:

که در آن ضريب جابجايي شمش با سيال ، دماي محيط اطراف و ضريب انتشار در قطعه کار است .[٢]. در منطقه تغيير فرم، فلز در سه جهت تحت کرنش قرار مي گيرد و در اثر وجود اصطکاک بين فلز و غلتک و نيز تغيير فرم شديد فلز، گرما توليد مي شود. از طرف ديگر تماس فلز با غلتک باعث افت دما مي گردد. در منطقه تماس فلز و غلتک، ضريب اصطکاک ثابت مي باشد. شرايط مرزي در اين منطقه را مي توان به صورت زير بيان نمود[٢]:

در اين رابطه مجموع نرخ توليد حرارت در اثر کار تغيير شکل پلاستيک و حرارت ناشي از اصطکاک ( ) مي باشد که به صورت روابط ٤ و ٥ بيان مي شود[٣]:

کارايي تبديل کار تغيير شکل پلاستيک به حرارت با ضريب kP نشان داده شده است [٣]. عامل ديگري که موجب افزايش دما در منطقه تغيير فرم مي شود، اصطکاک بين قطعه کار و غلتک است . حرات ناشي از اصطکاک عمدتا" روي سطح قطعه کار آشکار مي شود و افزايش ميانگين دماي قطعه کار به ضخامت قطعه کار بستگي دارد [٤]. حرارت ناشي از اصطکاک از رابطه (٥) قابل محاسبه است :

که در آن، ...نيروي اصطکاکي ، سرعت نسبي جابه جايي و kf ضريب توزيع حرارت مي باشد[٣]. از دست دادن گرما به دليل تماس شديد قطعه کار داغ با غلتک خنک طبق رابطه (٦) بيان مي شود[٢]:

در اين رابطه ضريب جابجايي است که به صورت تجربي بدست مي آيد. اين ضريب براي مسئله مورد مطالعه به صورت تجربي توسط Hadly و همکارانش به صورت زير پيشنهاد شده است :

در اين رابطه ، kr ضريب هدايت غلتک، k ضريب هدايت قطعه کار، Pr فشار غلتک ، s... تنش حد نهائي و يا سيلان جسم و C١ ثابتي است که براي فولادهاي کربن -منگنز برابر mm ٠.٠٣٥ مي باشد[٥].
٢-٢-تحليل مکانيکي
نرخ کرنش را مي توان مطابق با رابطه (٨)، به صورت مجموع نرخ کرنش الاستيک و پلاستيک درنظر گرفت :

با توجه به تعريف معيارهاي کرنش در مختصات همگرد و انتگرالگيري از رابطه (٨) خواهيم داشت :

خاصيت الاستيسيته ، خطي و ايزوتروپيک مي باشد و لذا مي تواند به صورت دو پارامتر وابسته به دما در ماده تعريف شود. اين پارامترها عبارتند از مدول حجمي K و مدول برشي G. براي قسمت پلاستيک داريم :

که در آن نرخ کرنش پلاستيک معادل و S تنش انحرافي است . در صورتي که تغيير فرم ماده مستقل از نرخ کرنش باشد، شرايط تسليم را داريم :

که در آن تنش تسليم و تنش مؤثر مي باشد. در صورتي که رفتار ماده وابسته به نرخ کرنش باشد،
نرخ کرنش پلاستيک به صورت زير تعريف مي گردد:

که در آن h معادله مشخصه و دماي ماده مي باشد[٦].
٣-مواد و روش تحقيق
٣-١-معرفي خط نورد کارخانه کوثر
در اين تحقيق خط نورد کارخانه کوثر گروه ملي صنعتي ايران مورد بررسي قرار گرفته است . در اين خط براي توليد ميلگرد ١٦، شمش با مقطع مربع ١٥٠×١٥٠ ميليميتر، تا دماي C°١٢٦٠ به مدت ٢ ساعت پيشگرم مي شود و پس از عبور از ١٨ قفسه نورد به ميلگرد ١٦ تبديل مي شود. طراحي خط به نحوي است که به منظور افزايش راندمان توليد، شمش در قفسه ١٦ (Slitter) به دو قسمت جدا از هم در آمده و در واقع از هر شمش ورودي دو پروفيل ميلگرد ١٦ توليد مي گردد. شکل ١ کاليبرهاي اول و دوم و جدول ١ مشخصات اين دو کاليبر را نمايش مي دهد.

٣-٢- آزمايشات تجربي
براي آزمايشات تجربي از فولاد کربن متوسط ميلگرد ١٦، با ترکيب شيمايي جدول ٢ استفاده شده است .

درجه حرارت سطح ميلگرد در نقاط مختلف خط نورد کارخانه کوثر به وسيله پيرومتر مدل TPS Co LTD اندازه گيري شد. خواص مکانيکي و حرارتي فولاد مورد نظر در جدول ٣ ارائه شده است .

٣-٣-شبيه سازي فرآيند
با توجه به نرخ کرنشهاي بالا و پيچيدگي هاي تماس و متغيرهاي دخيل در فرآيند، از نرمافزار ٦.٥ ABAQUS استفاده شد. با توجه به تقارن هندسي موجود و به منظور کاهش زمان حل ، تنها يک چهارم کاليبر و شمش مدل سازي شد. به اين ترتيب ابعاد شمش ورودي mmmm٧٥×٧٥ و براي سطوح A وB فرض تقارن در نظر گرفته شد(شکل ٢).

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید