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首頁(yè) > 平板軋制過(guò)程的有限元模擬
1工程背景介紹
軋制是旋轉(zhuǎn)的軋輥將材料帶入輥縫之間并使之產(chǎn)生變形的過(guò)程。接近軋件頭尾端的變形是非穩(wěn)定變形，而在其他部分，沿軋件前進(jìn)方向上條件沒有急劇的變化，故為穩(wěn)定狀態(tài)。軋制生產(chǎn)中，材料的塑性變形規(guī)律、軋輥和軋件之間的摩擦現(xiàn)象、材料中的溫度和微觀組織的變化、軋制過(guò)程中的壓下率、寬厚比等及其對(duì)軋件質(zhì)量的影響，都是非常復(fù)雜的問(wèn)題。影響生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量的原因很多，從現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)中得到的規(guī)律和理論很難覆蓋所有方面，而且耗費(fèi)巨大。采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)是近年來(lái)理論研究中的趨勢(shì)，將有限元方法應(yīng)用于軋制過(guò)程的理論研究不但可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，而且因其高速性和可靠性可以對(duì)軋制過(guò)程中不易進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的課題進(jìn)行深入地探討。
2問(wèn)題介紹
平板軋制技術(shù)表面上看起來(lái)非常簡(jiǎn)單，但是實(shí)際生產(chǎn)時(shí)遇到的問(wèn)題很多，并且有些至今尚未很好地解決。如軋制變形區(qū)內(nèi)的三維應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律、中厚板的平面形狀規(guī)律、咬入和拋鋼階段的不穩(wěn)定變形等。因此，采用有限元方法特別是彈塑性有限元方法對(duì)軋制過(guò)程進(jìn)行分析仍非常必要。
在軋制過(guò)程的彈塑性有限元分析中，按所用的有限元計(jì)算方法可以分為兩大類：迭代算法求解微分方程的隱式算法和差分積分方法求解微分方程的顯式算法。本文簡(jiǎn)述了本實(shí)驗(yàn)室對(duì)平板軋制過(guò)程進(jìn)行模擬的一些情況，著重介紹采用ANSYS和ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行平板軋制過(guò)程模擬的基本思路，并對(duì)采用顯式和隱式算法中的一些差別進(jìn)行了比較。
3模型描述
3.1隱式二維剛性輥軋制過(guò)程模擬
采用ANSYS隱式算法計(jì)算二維剛性輥軋制過(guò)程中，輥為剛性輥，軋輥的運(yùn)動(dòng)通過(guò)PILOT節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，可使軋輥勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。軋件采用PLANE42單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并且根據(jù)對(duì)稱性只取軋件的上半部分進(jìn)行分析，在對(duì)稱邊界上施加對(duì)稱約束。軋輥與軋件間的接觸采用庫(kù)倫摩擦。軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)和軋件向前運(yùn)動(dòng)適當(dāng)距離時(shí)計(jì)算一次，直至完成軋制過(guò)程。
3.2隱式二維彈性輥軋制過(guò)程模擬
隱式二維彈性輥軋制過(guò)程，軋輥為彈性輥，彈性軋輥采用PLANE42進(jìn)行網(wǎng)格劃分，軋輥的轉(zhuǎn)動(dòng)由附加于軋輥上的具有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的梁?jiǎn)卧獊?lái)施加，軋輥與軋件之間的接觸仍采用庫(kù)倫摩擦。
3.3隱式三維剛性輥軋制過(guò)程模擬
隱式三維剛性輥軋制過(guò)程，軋輥為剛性圓柱體，依靠PILOT節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，使其繞軸線勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)對(duì)稱性，軋件取四分之一部分建立模型，采用SOLID45進(jìn)行網(wǎng)格劃分，軋輥與軋件間的接觸仍然采用庫(kù)倫摩擦。其它計(jì)算條件與前述相似。
3.4顯式三維剛性輥軋制過(guò)程模擬
顯式三維剛性輥軋制過(guò)程，輥采用剛性輥，但同隱式分析的軋輥表現(xiàn)形式不同，對(duì)于剛性輥也要進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，在?jì)算時(shí)這些單元并不耗費(fèi)計(jì)算時(shí)間。軋件采用四分之一模型，軋輥和軋件之間的摩擦采用庫(kù)倫摩擦。軋輥和軋件都采用SOLID164單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。計(jì)算時(shí)給予軋件以一定的初始速度，使其向輥縫運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入輥縫后靠接觸摩擦進(jìn)行軋制。
3.5顯式三維彈性輥軋制過(guò)程模擬
顯式三維彈性輥軋制過(guò)程中的兩個(gè)孔形立輥為剛性輥，兩個(gè)平輥為彈性輥，接觸摩擦均采用庫(kù)倫摩擦，軋輥與軋件均采用SOLID164單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。軋件以一定的初始速度向輥縫運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入輥縫后靠摩擦完成軋制過(guò)程。另外此模型中的軋件溫度沿寬向逐漸增大，變形抗力逐漸減小。
4結(jié)果分析
對(duì)于采用隱式算法進(jìn)行分析和采用顯式算法進(jìn)行分析，可以從理論上和計(jì)算實(shí)踐上進(jìn)行比較。在理論方面，隱式算法是無(wú)條件穩(wěn)定的，而顯式算法是條件穩(wěn)定的，即只有在計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)小于一定的時(shí)間步長(zhǎng)時(shí)計(jì)算才是穩(wěn)定的，否則結(jié)果不可用。隱式算法計(jì)算時(shí)需要進(jìn)行迭代過(guò)程，迭代的收斂性與很多因素有關(guān)，耗費(fèi)在調(diào)整迭代收斂問(wèn)題上的時(shí)間將非常多，這實(shí)際上降低了計(jì)算效率。而顯式算法因采用顯式積分方法，故沒有迭代和收斂的問(wèn)題，耗費(fèi)在調(diào)整計(jì)算上的時(shí)間少得多，此外還可以通過(guò)質(zhì)量縮放來(lái)縮短計(jì)算時(shí)間，這一點(diǎn)是隱式算法所不具有的，最終使采用顯式算法進(jìn)行計(jì)算的效率較高。
從計(jì)算實(shí)踐上來(lái)說(shuō)，采用隱式算法進(jìn)行軋制過(guò)程模擬時(shí)，當(dāng)壓下率較大時(shí)，軋件咬入會(huì)出現(xiàn)困難，可通過(guò)在軋件咬入時(shí)加一個(gè)適當(dāng)?shù)耐屏Γ蛘呦扔纱怪狈较驂合乱朐龠M(jìn)行軋制等方法解決。但總的來(lái)說(shuō)，采用隱式分析方法時(shí)軋件的咬入始終是一個(gè)比較棘手的問(wèn)題，在具體問(wèn)題中還要進(jìn)行更詳細(xì)的調(diào)整。而利用顯式方法計(jì)算時(shí)，由于對(duì)大變形接觸問(wèn)題處理很方便，對(duì)于軋制模擬可以很好地解決咬入問(wèn)題。即使在壓下率較大時(shí)，軋件的咬入也不會(huì)出現(xiàn)困難。另一方面，在彈性輥軋制過(guò)程中，由于軋輥的彈性變形和軋件大塑性變形的耦合解析，使得隱式計(jì)算的迭代過(guò)程非常不易收斂，要經(jīng)過(guò)很多次的調(diào)整才能得到一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)果。特別是在壓下率比較大，網(wǎng)格畸變比較嚴(yán)重時(shí)更是如此。而顯式分析不存在收斂性問(wèn)題，故這個(gè)調(diào)整過(guò)程可以大大縮短，從而提高了計(jì)算效率。再者，隱式分析中，計(jì)算時(shí)間與模型單元數(shù)量是二次方的關(guān)系。在計(jì)算過(guò)程中，由于單元的增加，使計(jì)算時(shí)間延長(zhǎng)非常多，計(jì)算的調(diào)整也變得困難。而從本文的計(jì)算模型可以看出，顯式算法中的計(jì)算模型可以非常大，但實(shí)際的計(jì)算時(shí)間和調(diào)整時(shí)間比隱式算法少得多，這是因?yàn)轱@式算法的計(jì)算時(shí)間與模型單元數(shù)量是線性關(guān)系，并且可以用質(zhì)量縮放等技術(shù)來(lái)縮短計(jì)算時(shí)間。
