锆合金管材皮尔格冷轧过程的数值模拟分析开题报告

1. 研究目的与意义

在核能工业中，锆及其合金具有优异的核性能，热中子吸收截面小的突出优点，对2200m/s的中子，纯锆的俘获截面仅有0.18×10^-28m²，能够保证原子能反应堆中有足够的热中子数量维持反应堆正常运转。可以使更多的中子穿过包壳与铀发生裂变反应，释放更多的能量。除此之外，它还具有加工性能良好，机械强度适中，优异的水侧抗腐蚀性以及良好的力学性能，发展成为核技术不可替代的关键材料，被誉为“原子能时代的第一金属”。由于锆具有优异的核性能，通过添加合金元素进行合金化后，锆合金在保持了良好核性能的同时，也获得了抗高温水和蒸汽腐蚀性能，且具有适当的物理、机械性能以及良好的工艺性能，因此它是核动力反应堆用结构部件和燃料包壳材料的必备选择，如压力管、导向管、孔道管、定位格架以及端塞和其他结构材料、这也是锆材的主要用途。锆合金材料以其在酸碱溶液中优异的抗腐蚀性，可以用来制作复杂机械加工零件和热交换器，如冷凝器、蒸发器等，在海洋工业、化工工业中可用于制造容器和管道。

皮尔格冷轧在管材制造业中有很大的优越性，它是生产高精度、高表面质量和薄壁管材的主要方法，并被广泛应用于生产中。同时，皮尔格冷轧工艺也是生产锆合金包壳管的关键工序。与其他工艺相比，冷轧管法具有一系列优势：材料基本无损耗，大大节约能源；冷轧只受到轧辊压力的影响，可达到极高的壁厚减薄比例；由于其壁厚减薄比例高，便能够用于加工厚壁管料；由于其使用了锥形内用工具，即芯棒，可达到很高的减径比，可以达到钢坯直径的25%~65%之间；由于减径比大，减厚多，管材的偏心度也会相应减小等优点。该方法有利于发挥金属塑性的最佳应力状态图，管坯在孔型设计中的变形量可高达90%以上，与同为生产薄壁管材的另一主要方法拉拔相比，总加工率高出4至倍。这样，在生产低塑性、难变形合金的薄壁管材时，可大大减少其他生产时较为繁琐、不可避免的、多次重复的工序，缩短了生产流程，提高了生产效率。同时，冷轧管的表面质量及精度较高，一般可以直接交货无需再经其他加工。德国米尔公司生产的皮尔格冷轧管机已经成为国际上锆合金包壳管生产企业通用的轧管机型。

2. 研究内容和预期目标

为了满足仿真精度，这里采用solidworks软件建立它们的几何模型，simufact.forming软件进行分析，建立锆合金管材皮尔格冷轧过程有限元模型；确定锆合金冷轧模拟相关的材料热物理性能参数；最后通过有限元的模拟分析，对轧辊受力以及工件的应力与应变分布等进行定量预测。

对于周期式二辊冷轧机，其有限元模型主要包括管坯、芯棒、轧槽块。它们的形状较为复杂，轧槽块为旋转体且为变截面，不同截面处的侧壁开口也会不同。对于使管材变形的工具芯棒、轧槽块，它们的孔型选择与轧机生产率、工具寿命、金属消耗都会有影响，这里采用环形孔型，这样选择可以增加机架的行程长度，改善工具和轧机的工作条件，从而提高轧管的效率，也可轧制难变形的金属管材。

一般说来，金属孔型工作部分变形时，经过减径、压下、荒轧、精轧、和定径五个阶段。工作段孔型脊部直径按一定规律由最大逐渐减小，实现管坯直径和壁厚的减小。定径段处，孔型脊部直径近似不变，实现管子的整形。孔型脊部的展开曲线为一条由方程所绘制的平滑曲线，它能够改善金属的变形条件、增加工具的使用寿命、提高生产效率。

3. 研究的方法与步骤

本课题将基于数值模拟技术，对锆合金无缝管材的皮尔格轧制工艺过程进行模拟研究，对拟定轧制工艺下的轧辊受力以及工件的应力与应变分布等进行定量预测，从而为轧制工艺的制定与优化提供指导。具体工作内容及步骤包括：

1、采用simufact.forming有限元分析软件，建立锆合金管材皮尔格冷轧过程有限元模型；

2、确定锆合金冷轧模拟相关的材料热物理性能参数；

4. 参考文献

[1]. 周宇, 国产新锆合金管材冷轧过程中的微观组织与织构研究. 2012, 重庆大学.

[2]. ma, m., et al., microstructure and texture evolution in commercial-purity zr 702 during cold rolling and annealing. international journal of minerals, metallurgy, and materials, 2014. 21(8): p. 785-795.

[3]. kumar, g., et al., experimental characterization and finite element modeling of through thickness deformation gradient in a cold rolled zirconium sheet. cirp journal of manufacturing science and technology, 2017. 19: p. 176-190.

5. 计划与进度安排

2022.2.24-2022.3.15 收集资料，并完成英文文献翻译

2022.3.16-2022.3.25 撰写开题报告，完成开题工作

2022.3.26-2022.4.10 学习simufact.forming冷轧模块的建模过程