Modelling of Thermomechanics of Continuous Casting of Steel by a Meshless Numerical Method

Vuga, Gašper (avtor), Šarler, Božidar (mentor)

This work presents the development of a strong-from meshless radial basis function generated finite difference (RBF-FD) method for solving non-linear thermo-mechanical problems occurring in the continuous casting of steel. Augmented polyharmonic splines are employed as shape functions since they do not include the free-shape parameter as other well-known radial basis functions. Three different novel RBF-FD discretisation approaches (direct, composed, and hybrid) are introduced to tackle different levels of history-dependent material responses. Approaches are verified on various benchmarks where the direct approach is found to be unsuitable for solving non-linear problems. The composed approach successfully solves non-linear problems with a smooth distribution of material parameters. The hybrid approach is found to be the most suitable for solving elasto-plastic problems where material parameters are not continuously differentiable due to elastic-to-plastic transition. The developed hybrid approach, connected to the thermal RBF-FD model, is used to model thermo-mechanical response in the continuous casting of steel. A 2.5D travelling slice model is developed where susceptibility to hot tearing is analysed. Additionally, the thermo-mechanical model for modelling the cooling of steel bars on a cooling bed is developed. The developed models prove that the RBF-FD can be used to model a wide range of complex industrial processes, such as the continuous casting of steel billets and cooling of long products on a cooling bed.

• Jezik: Angleški jezik
• Ključne besede: continuous casting of steel, cooling of long products, non-linear thermomechanics, computational modelling, strong-form meshless method, combination of finite differences and radial basis functions, thermomechanical solution procedures, hot tearing
• Vrsta gradiva: Doktorsko delo/naloga
• Tipologija: 2.08 - Doktorska disertacija
• Organizacija: FS - Fakulteta za strojništvo
• Založnik: [G. Vuga]
• Leto izida: 2025
• Št. strani: XXXVI, 259 str.
• PID: 20.500.12556/RUL-166923
• UDK: 536:621.746-034.14:519.6(043.3)
• COBISS.SI-ID: 224922627
• Datum objave v RUL: 31.01.2025

Sekundarni jezik

• Jezik: Slovenski jezik
• Naslov: Modeliranje termomehanike kontinuiranega ulivanja jekla z brezmrežno numerično metodo

Izvleček

V tem delu je predstavljen razvoj brezmrežne metode končnih razlik generirane z radialnimi baznimi funkcijami (RBF-KR) v močni obliki za reševanje nelinearnih termo-mehanskih problemov, ki se pojavljajo pri kontinuirnemu ulivanju jekla. Kot oblikovne funkcije so uporabljeni poliharmonični zlepki augmentirani z monomi, ki ne vključujejo prostega oblikovnega parametra kot druge dobro znane radialne bazne funkcije. Uvedeni so trije različni novi postopki diskretizacije z RBF-KR (direktni, sestavljeni in hibridni) za obravnavo različnih ravni odzivov materiala, odvisnih od zgodovine obremenjevanja. Postopki so verificirani na različnih testnih primerih. Izkaže se, da direktni postopek ni primeren za reševanje nelinearnih problemov. Sestavljeni postopek je uspešen pri reševanju nelinearnih problemov z gladko porazdelitvijo snovnih parametrov. Hibridni postopek je najprimernejši za reševanje elasto-plastičnih problemov, pri katerih snovni parametri zaradi prehoda iz elastičnega v plastično področje niso zvezno odvedljivi. Razviti hibridni postopek je v povezavi s termičnim modelom z RBF-KR uporabljen za modeliranje termo-mehanskega odziva pri kontinuirnem ulivanju jekla. Razvit je 2,5D model potujoče rezine, v katerem je izvedena analiza dovzetnosti za vroče trganje. Poleg tega je razvit tudi termo-mehanski model za modeliranje ohlajanja jeklenih palic na hladilni klopi. Razviti modeli dokazujejo, da je RBF-KR mogoče uporabiti za modeliranje številnih kompleksnih industrijskih procesov, kot sta kontinuirano ulivanje jeklenih gredic in ohlajanje dolgih izdelkov na hladilni klopi.

• Ključne besede: kontinuirno ulivanja jekla, hlajenje dolgih izdelkov, nelinearna termomehanika, računalniško modeliranje, močna formulacija brezmrežne metode, kombinacija končnih diferenc in radialnih baznih funkcij, termomehanski rešitveni postopki, vroče trganje