[发明专利]一种圆角方坯连铸凝固传热的有限元计算方法

权利要求书

1.一种圆角方坯连铸凝固传热的有限元计算方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：根据圆角方坯断面尺寸，利用有限元分析软件建立圆角方坯二维几何模型；

步骤2：对步骤1获得的圆角方坯二维几何模型进行网格划分，建立圆角方坯二维有限元模型并保存网格信息；

步骤3针对圆角方坯连铸凝固传热问题，建立圆角方坯二维有限元凝固传热模型；

步骤4：利用圆角方坯二维有限元凝固传热模型计算连铸过程中的温度场变化。

2.根据权利要求1所述的圆角方坯连铸凝固传热的有限元计算方法，其特征在于，所述网格信息包括单元信息、节点信息、边界信息；所述单元信息包括单元编号以及单元中包含的节点；所述节点信息包括节点编号以及节点坐标；所述边界包括上边界即内弧，下边界即外弧，左边界即左侧弧，右边界即右侧弧以及圆角边界；所述边界信息包括边界上有的单元信息和节点信息。

3.根据权利要求1所述的圆角方坯连铸凝固传热的有限元计算方法，其特征在于，所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1：构建有限元传热基本方程；

步骤3.2：构建瞬态传热问题的有限元计算模型；

步骤3.3：构建平面三节点三角形单元，并基于该单元针对不同的传热边界条件进行传热分析。

4.根据权利要求3所述的圆角方坯连铸凝固传热的有限元计算方法，其特征在于，所述平面三节点三角形单元的方法为：以逆时针方向将3个节点编码为i，j，m构建平面三节点三角形传热单元。

5.根据权利要求4所述的圆角方坯连铸凝固传热的有限元计算方法，其特征在于，所述步骤4包括如下步骤：

步骤4.1：读取圆角方坯钢种信息、连铸机结构参数、喷嘴冷态性能参数和连铸工艺参数，计算固相线温度与液相线温度；

步骤4.2：导入圆角方坯二维有限元模型的网格信息；

步骤4.3：确定时间步长；所述时间步长为每次计算切片移动的时间；所述切片代表的是所述圆角方坯二维有限元模型；

步骤4.4：判断单元相区，计算单元的物性参数；

步骤4.5：计算单元传热矩阵、节点载荷、单元热容矩阵并集成总传热矩阵、总温度载荷、总热容矩阵；所述集成总传热矩阵就是将各个单元传热矩阵分解为子矩阵，然后将各个节点序列所决定的分块子矩阵按照单元节点编号“对号填充”进总传热矩阵中；所述集成总温度载荷、总热容矩阵均与所述集成总传热矩阵同理；

步骤4.6：求解温度场，也就是求解有限元二维非稳态热传导控制方程同时判断切片位置是否超过空冷区，如果是则计算结束，如果否则切片继续移动，转到步骤4.4。

6.根据权利要求5所述的圆角方坯连铸凝固传热的有限元计算方法，其特征在于，所述钢种信息包括钢牌号、化学成分；所述连铸机结构参数包括结晶器高度、二冷区结构参数、空冷区长度；所述二冷区结构参数包括二冷区数量、长度、入口位置和出口位置；所述喷嘴冷态性能参数包括喷嘴编号、测试安装高度、喷淋微元尺寸、喷淋微元编号、喷淋形状、喷淋水流量和喷淋特性；所述的喷淋特性是指通过喷嘴冷态性能测试实验在测试安装高度与喷嘴垂直安装条件下获得的原始喷淋网络内喷淋微元的水流量百分比；所述连铸工艺参数包括浇铸温度、拉速、结晶器水量及水温差、二冷各区水流量及水温、环境温度和圆角方坯断面尺寸；所述圆角方坯断面尺寸包括宽面宽度、窄面宽度和圆角半径。

7.根据权利要求5所述的圆角方坯连铸凝固传热的有限元计算方法，其特征在于，所述相区是指液相区、固相区和固液两相区；所述物性参数包括单元密度、单元比热、单元固相率和单元热传导系数。

8.根据权利要求7所述的圆角方坯连铸凝固传热的有限元计算方法，其特征在于，所述判断单元相区的方法为：采用二维线性插值法计算单元温度，根据单元温度判断单元所处相区。

9.根据权利要求5所述的圆角方坯连铸凝固传热的有限元计算方法，其特征在于，采用雅可比迭代法求解矩阵方程计算各节点温度。