本文用独立开发的温度场与应力场分析有限元系统研究了钢锭及锭模在钢锭凝固过程的瞬态应力场，并基于本文数值分析结论研究了该应力场的形成机制。
1 引言

      在钢锭凝固过程中，钢锭及锭模经历复杂的热过程，并伴有复杂的相变，再加上机械阻力等因素的作用，在钢锭与锭模之间产生随时间变化的应力场。该应力场形成机制复杂，并对钢锭质量与锭模寿命有重大的影响。目前，国内对钢锭与锭模在钢锭凝固过程中应力场的系统研究尚少。本文将采用数值模拟方法分析6t钢锭与锭模在钢锭凝固过程中的温度场与应力场，研究了该瞬态应力场的形成机制，并从数学模型建立与模拟应力场结果与形成机制等方面展开分析。

2 数学模型的建立

      钢锭与锭模应力场分析数学模型建立含本构理论与边界条件两方面的工作。

2.1本构模型的使用[1，3]

在分析钢锭与锭模应力场时，本文对不同的材料采用不同的本构模型，其中钢锭采用了近年广泛用于铸造应力分析的内状态变量本构理论，且认为

式中 A，B，Φ——材料常数
εT、εnl、εe——分别表示温度应变，非线性应变与弹性应变
ε——速率
dT——温度变化

弹性变形由广义虎克定律求得。对灰铁则将非线性变形分解为蠕变与塑性变形，塑性变形由塑性理论求得，且灰铁塑性理论中考虑了拉压性能不同[3，4]，蠕变变形仍采用双曲正弦函数描述，这样

式中 ε^p、ε^c——分别表示塑性、蠕变应变

各种材料本构模型如表1所示。

2.2边界条件的分析

    建立边界条件模型时，考虑底盘与地面接触，故认为底盘法向位移为0。对如图1所示的8棱锭模，利用对称性，沿AB与AC切出1/16作为研究对象，这样AB与AC的法向位移为0。此外，文中假设钢锭与锭模之间为接触边界，同时忽略摩擦。

3 钢锭与锭模在钢锭凝固过程中应力场的研究

     分析如图1所示的6t钢锭与锭模，设钢锭浇铸温度为1500℃，锭模浇铸初始温度为80℃，钢锭材料为中碳钢，锭模材料为灰铁，并假设浇铸瞬时完成。采用有限元分析该工艺的温度场与应力场[2，3]。

图2～图12为钢锭与锭模在浇铸后120s、180s、250s、300s、360s、600s、900s、1200s、3600s、7200s及凝固结束时中部横截面y方向应力σy的等值线。
3 结论

本文使用有限元分析钢锭与锭模的应力场，从分析可看出：

1）用Y向应力分析应力场形成机理是合适的；
2）在钢锭凝固初期，锭模受内压，外拉的热应力型应力分布，且在6～10分钟，锭模外表面出现最大的拉应力；
3）锭模的应力场的形成和发展与钢锭与锭模的换热密切相关，在气隙形成以后，应力峰值明显减小；
4）受几何结构的影响，锭模内部的应力分布极不均匀；
5）在凝固初期，钢锭应力场外部受拉，但随凝固的推进，出现应力反向。(end)