金属成型过程数值模拟

金属成型过程数值模拟

上 机 实 验 报 告

专业：材料成型及控制工程 班级：型0842

姓名： 姚守冠 学号：081841106

实验名称：中厚板二辊粗轧第一道轧制过程数值模拟仿真

指导教师：沈晓辉、杨森、曾国成等

上机实验时间： 2011年5月24日 报告完成日期：2011年6月1日 上机实验地点：教三507

金属塑性成型数值模拟系统：硬件配置 软件系统 MSC. Autoforge 3.1

一、实验原理（参考教材相关章节）

金属成型过程有限元分析的基本思想、计算步骤 MSC. Autoforge 功能简介、分析步骤

二、实验条件和要求 2参数与要求

2.1 上机题目

中厚板二辊粗轧第一道轧制过程数值模拟仿真

已知参数如下：

轧辊直径：840mm ，辊身长度：2500mm ，转速：80 rpm ； 轧件入口厚度：180mm ，宽度：1800mm ，长度：1000mm ； 轧制方式：纵轧，压下量：36mm （=∆H H 20%），

轧件材质：C22

开轧温度：1250℃（温度均匀）。

2.2 要求

用有限元法对轧制过程进行3-D 弹塑性力学分析，并给出以下结果： （1）最终轧制状态图

（2）分析轧件最大宽展量B ∆（mm ）并给出稳定轧制时的相对宽展量%⨯∆B B ； （3）评估稳定轧制时的单位压力p （MPa ）； （4）打印轧制力随时间的变化图，并指出最大轧制压力max P （kN ）。

三、实验过程

1、有限元分析模型的建立（插图：图1 有限元分析模型图）

陈述建模过程，从进入主菜单开始，按顺序完成前处理的所有参数设置和 定义

3.1 文件操作

在开机后，进入分析系统前，先在D 盘下建立自己的文件夹。文件夹名必须为自己的学号，如你的学号为029014145，则文件夹名为029014145。建立的方法是在桌面上双击“我的电脑”，打开D 盘，建立新文件夹，然后将“新建文件夹”改为自己的学号。 3.2 进入分析系统

用鼠标双击桌面AutoForge 3.1 SP1图标，进入分析系统的主菜单，然后选择三维力学分析。

用鼠标左键点击3-D ANALYSIS 中按钮MECHANICAL 即可。进行上述操作后即进入三维力学分析的主菜单。

3..3 前处理

3.3.1 模型的几何描述

首先要确定成型系统有几个接触体。根据题目的性质，变形具有对称性（上下左右均对称），可取轧件横截面的1/4进行分析。这样，本系统可简化为三个几何体，即轧件（1/4）、上轧辊和推头。

进入分析系统后，当前的整体坐标系为系统默认的坐标系。可在图形区中见到X 、Y 、Z 的方向。选定轧制方向为Z 方向，横向为X 方向，而铅垂方向为Y 向。

(1) 轧辊的描述

轧辊是一个旋转体，即这类几何体要绕自身轴线旋转。在MARC （AutoForget ）

中规定：旋转轴一定是局部坐标系的y

ˆ轴。因此要完成对轧辊的定义，首先要进行局部坐标系z y x o ˆˆˆˆ-的定义。局部坐标系由三点确定，即按如下顺序依次输入三

个点的整体坐标值：

A. 局部坐标系z y x o

ˆˆˆˆ-原点在整体坐标系xyz o -中的坐标；

图1 局部坐标系与轧辊在整体坐标系中的

B. 局部坐标x

ˆ轴上一点在整体坐标系中的坐标； C. 局部坐标y

ˆ轴上一点在整体坐标系中的坐标。 一般情况下，可取1ˆˆ==y x

。于是对本问题有如下三点： （0，492，0）、（0，493，0）和（-1，492，0）。

点击MESH GENERA TION ，进入网格生成子菜单，即可进行几何描述。以下是轧辊几何描述的操作步骤： MESH GENERATION

SET

ALIGN

0, 492, 0

0, 493, 0 定义局部坐标系

-1, 492, 0

RETURN

CURVS TYPE

LINE RETURN

CURVS ADD

point (420, -1250, 0) point (420, 1250, 0)

注意命令交互窗口显示

FILL 即可看到直线

REVOLVE

CURVES (选中刚生成的直线，再按鼠标右键即生成轧辊曲面)

SET

RESET (返回整体坐标系)

（点亮静态菜单栏的DYN.MODEL 按钮，可以摁住鼠标中键对图形窗口进行旋

转。注意，要通过鼠标对图形窗口中的图形元素进行选中必须先将DYN.MODEL 按钮关闭。） (2) 轧件的描述

如前所述，轧件的变形具有对称性，因而可以取轧件横截面的1/4进行分析，如图2所示。

对工件生成有限元网格的方法有多种，本例采用转换（Convert ）—扩展（Expand ）法来生成。先在上轧辊正下方生成一个四边形（面），代表轧件的横截面（注意是轧件横截面的1/4，这里不妨取处在第一象限的1/4，如图2所示），然后将此Quad 面转换为平面单元，再将这些平面单元向轧制的反方向（Z 的负方向）扩展，生成三维实体单元，而这些实体单元就构成了轧件（坯料）。操作过程如下：

MESH GENERATIION SURFS TYPE QUAD RETURN SURFS ADD

point (0, 0, 0)

point (0, 90, 0)

point (900, 90, 0)

point (900, 0, 0)

CONVERT

DIVISIONS

3, 20 （欲划分的网格密度，宽度方向20、厚度方向3个单元） SURFACS TO ELEMENTS

Surface （选中刚生成的四边形，即生成20⨯3个Q4单元） EXPAND

TRANSLATION

0, 0, -20 （向轧制反方向每次移动20mm ） REPETITIONS

50 （扩展50次使轧件长度达到1000mm ） ELEMENTS ALL-EXIST

完成上述操作后，即生成了轧件（坯料），共3⨯20⨯50 = 3000个8节点六面体单元）。

x y ˆ图2 利用对称性取轧件横截面1/4建模 （也可点击PTS-ADD ，通过键盘逐一

生成4个点，然后点击SURFS-ADD

后按顺序选取这4个点，即可生成一

个QUAD 面。这种方法的好处就是就

省去了在键盘上多次键入point( )的操

作）