軋制模擬msc.marc

1、7.5 軋制成形分析應(yīng)用實(shí)例下面幾節(jié)將以實(shí)例的方式來(lái)介紹MARC中金屬軋制成形分析的詳細(xì)過程。7.5.1 案例說明本案例來(lái)自于國(guó)內(nèi)某鋼廠的一個(gè)熱軋項(xiàng)目。其軋制過程如圖7.8所示，為雙輥對(duì)稱軋制。圖7.8 軋制工藝為了得到板厚比較均勻的軋制成品，該軋制分兩道次進(jìn)行，第一道次壓下38mm，第二道次壓下17mm，成品厚度為45mm。兩道次的主要參數(shù)如表7.1所示。材料參數(shù)： Q235：可以采用MARC材料庫(kù)中的 QSt 32-3,它是Q235種的一種 5CrNiMo的材料屬性如表7.2所示。表7.1 軋制工藝參數(shù)道次軋前厚度(mm)壓下量(mm)開軋溫度(oC）輥寬(mm)輥徑(mm)軋制速度(m/

2、s)板寬(m)材料110038950505011504.03輥：5CrNiMo板：Q23526217900505011504.03表7.2 5CrNiMo的材料屬性溫度（）彈性模量（Gpa）比熱（KJ/(KgK)）導(dǎo)熱系數(shù)(W/(mK)泊松比密度（Kg/m3）-10021700037145.10.37850021300045145.12021200046145.110020700049645.120019900053344.130019200056841.940018400061139.450017500067737.960016400077834.415007812077834.4板和輥之間

3、的摩擦系數(shù)為0.3。分析目的為： (1) 分析軋制過程中工件和軋輥的溫度分布；軋輥剛度足夠，不用考慮其變形(2) 計(jì)算軋制力(3) 分析軋制過程中的應(yīng)力分布情況(4) 分析板厚和板形7.5.2 模型的簡(jiǎn)化在提出的幾個(gè)分析目的中，軋制溫度和軋制力是可以在二維模型中計(jì)算得到的；因此，可以先進(jìn)行二維的分析；三維應(yīng)力分布、板厚、板形只能在三維模型中進(jìn)行查看。由于該軋制過程為兩輥可逆軋制，因此，在軋制厚度方向只需要選取一半進(jìn)行分析即可。軋輥剛度足夠，但需要計(jì)算軋輥的溫度分布，因此，應(yīng)該把軋輥建立成熱傳導(dǎo)剛性接觸體（Rigid and heat transfer）。熱軋過程，應(yīng)該進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析。7.

4、5.3 第一道次軋制仿真下面將從建立有限元模型開始逐步演示軋制仿真的具體執(zhí)行過程。(1) 建立幾何模型取軋板長(zhǎng)度為800mm進(jìn)行分析。接觸時(shí)，軋輥與板發(fā)生接觸，二者不僅存在應(yīng)力的傳遞，而且溫度也會(huì)發(fā)生變化；為了比較準(zhǔn)確的分析這一過程，同時(shí)考慮計(jì)算效率的問題，對(duì)于軋輥采用非均勻網(wǎng)格的劃分形式，即：可能發(fā)生接觸的區(qū)域網(wǎng)格劃分較密；其他區(qū)域網(wǎng)格可以劃得較稀。最后畫出的網(wǎng)格效果如圖7.9所示。圖7.9 有限元網(wǎng)格MAINFILES SAVE AS zhazhi1.Mud OKPLOT POINTS SETTINGS： LABELS（ON） CURVES SETTINGS LABELS(ON) MAIN

5、MESH GENERATION PTS ADD： 1140.2955 684.1159 2525 CURVE TYPE ARCS：CENTER/RADIUS/ANGLE/ANGLE RETURN CURVE ADD 選擇point 1 575 135 251 CURVE ADD 選擇point 1 575 251 135 AUTOMESH CURVE DIVISIONS FIXED #DIVISIONS 40 APPLY CURVE DIVISIONS 1 # FIXED #DIVISIONS 32 APPLY CURVE DIVISIONS 2 # RETURN 2D PLANAR MESH

6、ING QUADRILATERALS(ADV FRONT) 1 2 # SELECT ELEMENTS: STORE GUN OK ALL: VISIBLE RETURN RETURN PTS ADD： 152.40573 78.11625 2525 952.40573 78.11625 2525 CURVE TYPE: LINE RETURN CURVE ADD 14 15 EXPAND TRANSLATIONS 0 50 0 CURVES 3 RETURN CONVERT DIVISIONS 40 4 SURFACES TO ELEMENTS ALL: VISIBLE SELECT SEL

7、ECT SET GUN ELEMENTS STORE: BAN ALL: UNSELECTED CLEAR SELECT RETURN RETURN為使得板與輥接觸，可以先設(shè)定一個(gè)接觸剛體與板接觸，按照軋制速度（4m/s）推動(dòng)板運(yùn)動(dòng)，使板咬入；咬入后，該假定的接觸剛體撤銷，板與輥依靠二者之間的摩擦力進(jìn)行軋制。因此，建模的時(shí)候，需要把該接觸剛體建立起來(lái)；由于只取1/2進(jìn)行分析，因此，需要在對(duì)稱面上設(shè)定一個(gè)對(duì)稱剛體。EXPAND TRANSLATIONS 0 200 0 POINTS 14 # (選取板最左下角的那個(gè)點(diǎn)) 2980 0 0 POINTS 14 # (選取板最左下角的那個(gè)點(diǎn)) RES

8、ET VIEW FILL RETURNSWEEP ALLRETURNRENUMBER ALL RETURN(2) 定義材料屬性板的材料為Q235，可以取MARC材料庫(kù)中的QSt 32-3；輥的材料為5CrNiMo，其材料屬性需要自己定義。因此，首先需要建立相應(yīng)的材料數(shù)據(jù)表。MAIN MATERIAL PROPERTIES TABLES NEW 1 INDEPENDENT VARIABLE NAME Cr_ConductTYPE TEMPERATURE ADD -100 45.10 45.120 45.1100 45.1200 44.1300 41.9400 39.4500 37.9600 34

9、.41500 34.4 FIT NEW 1 INDEPENDENT VARIABLE NAME Cr_SpecTYPE TEMPERATURE ADD -100 3710 45120 461100 496200 533300 568400 611500 677600 7781500 778 FIT RETURN READ QST 32-3 ELEMENTS ADD: SELECT SET: ban NEW NAME gun_mat HEAT TRANSFER CONDUCTIVITY: 1TABLE: Cr_Conduct SPECIFIC HEAT 1E6（這里采用的是t-mm-s的單位制）

10、 TABLE: Cr_Spec MASS DENSITY 7.85E-9 OK ELEMENTS ADD SELECT SET gun (3) 定義接觸體及接觸表該例中，輥不考慮變形，只計(jì)算熱，因此定義為rigid and heat transfer;輥與板的接觸傳熱系數(shù)為10000W/(m2.k),與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)為5 W/(m2.k)；空氣溫度25MAINCONTACT CONTACT BODIES DEFORMABLE MECHANICAL PROPERTIES:FRICTION COEFFICIENT0.3 THERMAL PROPERTIES: HEAT TRANSFER COE

11、FFICIENT 5E-3 SINK TEMPERATURE 25 CONTACT HEAT TRANSFER COEFFICIENT 100 OK ELEMENTS ADD SELECT SET ban NAME ban COPY NAME gun RIGID w HEAT TRANSFER這里需要定義輥的旋轉(zhuǎn) MECHANNICIAL PROPERTIES VELOCITY ROTATIONAL(RAD/TIME) 7.95652 ROTATION AXIS Z: 1 OK CENTER OF ROTAION 1140.2955 684.1159 2525 ELEMENTS ADD SEL

12、ECT SET gun NEW NAME PUSH該接觸體為假定推動(dòng)板與輥咬合的接觸體，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為：板與輥咬合之前，其運(yùn)動(dòng)速度為4m/s；板與輥咬合以后，該接觸體回退。對(duì)于該運(yùn)動(dòng)，需要定義一個(gè)表格來(lái)控制。這里以position的方式來(lái)控制剛體的運(yùn)動(dòng)。TABLES NEW 1 INDEPENDENT VARIABLE NAME moveTYPE TIME ADD 0 0 0.1 400 0.18 0 FIT SHOW MODEL RETURN RIGID POSITION PARAMETERS X 1 TABLE move OK OK CURVES ADD 3 # NEW NAME SYM S

13、YMMETRY OK CURVES ADD 4 # 下面需要檢查接觸剛體的法向是否正確 ID CONTACT經(jīng)檢查，接觸體SYM的法向反了，需要糾正。 FLIP CURVES 4 #RETURN下面定義接觸表 CONTACT TABLES NEW PROPERTIES設(shè)定板和輥的接觸關(guān)系為touching，其接觸熱傳導(dǎo)系數(shù)也重新指定一下。 1-2 CONTACT TYPE TOUCHING MECHANICIAL PROPERTIESFRICTION COEFFICIENT 0.3 THERMAL PROPERTIES CONTACT HEAT TRANSFER COEFFICIENT 100

14、 OK將ban和push以及ban和sym設(shè)為touching的接觸關(guān)系 1-3 CONTACT TYPE TOUCHING 1-4 CONTACT TYPE TOUCHING OK RETURN RETURN定義好的接觸體應(yīng)該如圖7.10所示。(4) 定義初始條件 INITIAL CONDITION NEW NAME BAN_INI THERMAL TEMPERATURE TEMPERATURE950OK圖7.10 接觸的定義 SELECT SELECT SET Ban OK MAKE VISIBLE NODES ADD ALL VISIBLENEW NAME GUN_INI TEMPERA

15、TURE TEMPERATURE25OK NODES ADD ALL INVISIBLE SELECT CLEAR SELECT MAKE INVISIBLE RETURN RETURN(5) 定義邊界條件由于需要考慮塑性變形生成熱，因此，需要將該邊界條件激活。MAIN BOUNDARY CONDITIONS THERMAL PLASTIC HEAT GENERATION PLASTIC HEAT GENERATION(激活) OK ELEMENTS ADD SELECT SET: ban RETURN RETURN(6) 定義網(wǎng)格重劃分MESH ADAPRIVITYGLOBAL REMESH

16、ING CRITERIAL ADVANCED FRONT QUAD ADVANCED strain change element distortion penetration OK ELEMENT EDGE LENGTH SET: 15 REMESH BODY banRETURN RETURN(7) 定義作業(yè)工況MAIN LOADCASE COUPLED QUASI-STATIC CONTACT CONTACT TABLE ctable1 GLOBAL REMESH adapg1 OK CONVERGECE TESTING RESIDUALS OR DISPLACEMENTS OK RELAT

17、IVE FORCE TORLERANCE 0.1 RELATIVE DISPLACEMENT TORLERANCE 0.1MAX ERROR IN TEMPERATURE ESTIMATE 1 MAX TEMPERATURE CHANGE BEFOR REASSEMBLY 20 OK TOTAL LOADCASE TIME 0.35 CONSTANT TIME STEP PARAMETERS 50 OK OK RETURN RETURN(8) 提交分析MAIN JOBS COUPLED LOADCASES lcase1 CONTACT CONTROL FRICTION TYPE COULOUM

18、B BILINEAR(DISPLACEMENT) INITIAL CONTACT ctable1 OK ADVANCE CONTACT CONTROL SEPERATION CRITERIAL Stress RELATIVE 0.1 OK OK ANALYSIS OPTIONS LARGE DISPLACEMENTADVANCED OPTIONS CONSTANT DILATION ASSUMED STRAIN UPDATED LAGRANCE PROCEDURELARGE STRAINS OK LUMPED MASS AND CAPACITY OK ANALYSIS DIMENSION PL

19、ANE STRAIN JOB RESULTS Stress Total strain EQUIVALENT VON MISES STRESS Total equivalent plastic strain Temperature( integration point) OK OK ELEMENT TYPES THERMO-MECHANICAL ELEMENT TYPE PLANE STRAIN SOLID 11 OK SELECT SET ban OK HEAT TRANSFER ELEMENT TYPE PLANE 39 OK SELECT SET gun OK RETURN RETURN

20、SAVE(9) 遞交分析 RUN SUBMIT1 OK(10) 結(jié)果后處理1） 溫度分布MAIN OPEN DEFAULT DEFORMED SHAPE DEF ONLY SCALAR PLOT TEMPERATURE SCAN 50 PLOT NODES(off) POINTS(off) REGEN RETURN CONTOUR BANDS可以看到，板、輥的溫度如圖7.11所示。如果只需查看輥的溫度，那么： SELECT SELECT SET gun MAKE VISIABLE RETURN輥的溫度如圖7.12所示。圖7.11 板-輥系溫度場(chǎng)分布 圖7.12 輥的溫度分布2） 板的應(yīng)力分布

21、SELECT SELECT SETGUN MAKE INVISIBLE RETURN SCALOR EQUIVALENT VON MISES STRESS板的應(yīng)力分布如圖7.13所示圖7.13 板的應(yīng)力分布1） 查看軋制力把輥設(shè)置成剛體之后，可以直接查看其總力情況 HISTTORY PLOT PRESET BODY FORCE VS TIME得到各接觸體的總力如圖7.14所示圖7.14 各接觸體的總受力圖需要注意的，這樣一種力的顯示，只有剛性接觸體的力才是比較可靠的，柔形體力的計(jì)算尚存在問題。需要查看軋制力時(shí)，只需查看Force gun即可。7.5.4 第二道次軋制仿真第二道次是基于第一道次的

22、結(jié)果來(lái)的，因此，需要使用pre-state的功能，將第一道次加工后的殘余應(yīng)力考慮進(jìn)來(lái)。本節(jié)只介紹pre-state(1) 將第一道次最后一步的網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)出MAIN OPEN zhazhi1_job1.t16 DEFORMED SHAPE OFF SCAN 50 TOOLS REZONE MESH FILES SAVE AS zhazhi2.mud (2) 修改接觸體的相對(duì)位置MAIN FILES OPEN zhazhi2.mud可以看到，由于軋輥旋轉(zhuǎn)了約1/4周，網(wǎng)格密的部位已經(jīng)偏離了鋼板，為此，首先將軋輥轉(zhuǎn)回。在前一道次中，軋輥旋轉(zhuǎn)了0.35s，角速度為7.9652rad/s，因此，旋轉(zhuǎn)了1

23、80*（0.35*7.95652）/3.141593度。 MESH GENERATION ATTACH DEATTACH ELEMENTS ALL： exist MOVE CENTEROID1140.2955 684.1159 2525 ROTATION ANGLES（DEGREE） 0 0 -180*（0.35*7.95652）/3.141593 ELEMENTS SELECT SET gun OK然后，將輥移到板的另一端，并往下調(diào)整8.5mm（第二道次壓下量為17mm） MOVE RESET TRANSLATIONS 1502 -8.5 0 ELEMENTS SELECT SET gun

24、OK對(duì)稱接觸體相應(yīng)的移動(dòng)1000mm TRANSLATIONS 1000 0 0CURVES 選擇代表對(duì)稱接觸體的那條線由于第一道次過后，板坯左端的形狀也不均勻了，在本道次加工中，PUSH接觸體得另外畫一條曲線 RETURN CRVS ADD: 依次選擇板坯最左端的四個(gè)節(jié)點(diǎn)（如圖7.15） node 629 670 node 670 711 node 711 752 node 752 793圖7.15 板坯最左端的節(jié)點(diǎn) CURVE TYPE COMPOSITE RETURN CRVS ADD 依次選擇剛才所創(chuàng)建的四條曲線 刪除不需要用的幾何元素 CRVS REM: 選擇不用的曲線 SWEEP

25、ALL REMOVE UNUSED points RETURN RENUMBER ALL RETURN RESET VIEW FILL(3) 定義材料屬性 由于各物質(zhì)的材料屬性都沒有發(fā)生任何變化，因此，可以在第二道次中直接導(dǎo)入第一道次的材料。MAIN MATERIAL PROPERTIES MATERIAL PROPERTIES READ READ OTHER MATERIALS zhazhi1.mud OK EDIT 1_0303_/QSt32-3 ELEMENTS ADD SELECT SET ban NEXT ELEMENTS ADD SELECT SET gun(4) 定義接觸體 仿7

26、.5.3中定義接觸體的步驟重新定義各接觸體及接觸表，這里不再重復(fù)，只不過在定義接觸體gun的時(shí)候，將旋轉(zhuǎn)中心，即： CENTER OF ROTATION改為 1140.2955+1502 684.1159-8.5 2525(5) 定義初始條件 INITIAL CONDITION NEW NAME BAN_prestate GENERAL PREVIOUS ANALYSIS STATE stressstraintotal equivalent plastic strain POST FILE zhazhi1_job1.t16 INCREMENT LAST SELECTED BODY ban OK

27、 OK RETURN NEWTHERMAL NAME ban_tempTEMPERATURE TEMPERATURE900OK SELECT SELECT SET Ban OK MAKE VISIBLE NODES ADD ALL VISIBLENEW NAME GUN_temp TEMPERATURE TEMPERATURE25OK NODES ADD ALL INVISIBLE SELECT CLEAR SELECT MAKE INVISIBLE RETURN RETURN(6) 定義邊界條件由于需要考慮塑性變形生成熱，因此，需要將該邊界條件激活。MAIN BOUNDARY CONDITI

28、ONS NAME PLASTIC_HEATTHERMAL PLASTIC HEAT GENERATION PLASTIC HEAT GENERATION OK ELEMENTS ADD SELECT SET: ban RETURN RETURN(7) 定義網(wǎng)格重劃分MESH ADAPRIVITYGLOBAL REMESHING CRITERIALPLANAR REMESHING METHODS ADVANCED FRONT QUAD ADVANCED strain change element distortion penetration OK ELEMENT EDGE LENGTH SET:

29、 15 REMESH BODY banRETURN RETURN(8) 定義作業(yè)工況MAIN LOADCASE COUPLED QUASI-STATIC CONTACT CONTACT TABLE ctable1 GLOBAL REMESH adapg1 OK CONVERGECE TESTING RESIDUALS OR DISPLACEMENTS MAX ERROR IN TEMPERATURE ESTIMATE 1 MAX TEMPERATURE CHANGE BEFOR REASSEMBLY 20 OK TOTAL LOADCASE TIME 0.35 CONSTANT TIME ST

30、EP PARAMETERS 50 OK OK RETURN RETURN(9) 提交分析MAIN JOBS COUPLED LOADCASES lcase1 CONTACT CONTROL FRICTION TYPE COULOMB BILINEAR(DISPLACEMENT) INITIAL CONTACT ctable1 OK ADVANCE CONTACT CONTROL SEPERATION CRITERIAL Stress RELATIVE 0.1 OK OK ANALYSIS OPTIONS LARGE DISPLACEMENTADVANCED OPTIONS CONSTANT D

31、ILATION ASSUMED STRAIN UPDATED LAGRANCE PROCEDURELARGE STRAINS OK ANALYSIS DIMENSION PLANE STRAIN JOB RESULTS Stress Total strain Equivalent Cauchy stress Total equivalent plastic strain Temperature( integration point) OK OK ELEMENT TYPES THERMO-MECHANICAL ELEMENT TYPE PLANE STRAIN SOLID 11 OK SELEC

32、T SET ban OK HEAT TRANSFER ELEMENT TYPE PLANE 39 OK SELECT SET gun OK RETURN RETURN SAVE(10) 遞交分析 RUN SUBMIT1 OK(11) 后處理后處理過程與7.5.3類似，這里只查看第零增量步和最后增量步的結(jié)果并顯示如圖7.16和7.17。圖7.16 第零增量步板的等效應(yīng)力結(jié)果圖7.17 第二道次最后增量步等效應(yīng)力結(jié)果7.5.5 軋制過程的三維熱-結(jié)構(gòu)耦合分析為了節(jié)約計(jì)算資源，對(duì)模型和工況做如下改變： 1） 只計(jì)算第一道次，即壓下量為38mm2） 取1/4模型進(jìn)行分析，即在寬度方向也只取一半進(jìn)行分析；初始板長(zhǎng)取500mm3） 需要計(jì)算板形、寬展和軋制力4） 軋制的時(shí)候，不考慮軋輥的變形考慮溫度在軋輥中的分布