温度场及弯曲变形数值模拟研究

4钢轨轧后自然冷却过程中温度场及弯曲变形模拟计算分析

本文利用大型通用FEM模拟软件ABAQUS来模拟计算钢轨自然空冷时的温度场及弯曲变形规律。 4.1有限元分析的基本步骤

前处理、分析计算和后处理

ABAQUS分析步骤：建模—材料属性的输入—装配—定义接触—加载边界条件—网格划分—提交—模拟计算—分析结果。 4.2钢轨轧后自然冷却过程的有限元模拟分析 在不影响计算结果的情况下取钢轨长度为20m。 4.2.1建立模型

因为钢轨的长度远远大于其高度和宽度，且其断面的散热情况都一样，所以计算钢轨的温度场和应力场都可以用二维模型进行模拟计算，但本章的计算结果是为钢轨的弯曲变形计算做基础，故必须用三维模型模拟计算。 4.2.2网格划分

由于实物钢轨是三维实体模型，本模拟属于瞬态非线性热分析问题，因而选用C3D8T（An 8-node thermally coupled brick,trilinear displacement and temperature八结点热耦合六面体单元，三向线性位移，三向线性温度单元）单元进行网格划分。 4.2.3初始条件

钢轨终轧后上冷床的温度取为870℃，假设钢轨截面上温度分布均匀，

室内空气温

度取30℃，钢轨无初始变形和初始应力。 4.2.4材料属性

4.2.5定义接触

由于钢轨和空气之间存在热对流和热辐射，钢轨本身存在热传导现象，故需定义钢

轨每个外表面和自然空气之间的对流换热系数。

发射率是考虑了辐射角系数后的等效发射率，其中辐射角系数只与钢轨的截面形状有关。

4.2.6确定时间步长

钢轨在空气中自然冷却的温度场模拟是瞬态非线性，时间步长太大会不收敛，太小会增加计算机的负担，使运算时间大大增加。本次模拟中，选初始增量步长为0.0001s，最小增量步为1E-025s，最大增量步为9000s，模拟模块会根据程序迭代计算自动选取。

由于钢轨在空气中自然冷却到环境温度的实际时间大概是2.5个小时，并且是传热和弯曲变形分析的顺序耦合过程，所以需用ABAQUS/Standard中的求解器Coupledtemp-displacement求解。 4.2.7施加初始条件

初始条件是对钢轨的截面施加对称约束，对钢轨施加重力荷载，对钢轨施加初始温度870℃。