轧制变形的ansys有限元分析的处理

1 前 言
ANSYS 是大型通用有限元分析软件 ,极强的 分析功能几乎覆盖了所有工程问题 。我们在 HP 工作站上装载了 ANSYS 5. 1 有限元处理软件 ,进 行金属轧制技术问题的分析 。通过逐步解决模型 多样性 、材质特殊性 、选择有限元类型及剖分单 元 、载荷处理多样性 、再处理结果数据等有限元分 析中遇到的问题 , 感到 ANSYS 软件的灵活与方 便 ,为解决具有初始条件复杂 、变形情况复杂 、数 据需求多样化等特点的轧制问题提供了有效处理 途径 。
(2) 通过模拟分析知 ,用确定型优化方法进行 剪切规程设计 ,只能满足实际情况的 50 % ,且随 着概率值的增加 ,成材率与之呈近似椭圆曲线的 关系递减 ;当成材率最高时 ,概率约为 50 %。
(3) 通过与生产实际对比 ,我们认为工程概率
优化设计方法应用于剪切规程设计中是可行的 、 有效的 、经济的 。
2 理想模型
实体模型是对实体的简化处理 ,是一种理想 模型 。由于各种金属轧制问题要求模型符合实际 情况和特殊要求 ,前处理提供了建立点 、线 、面 、体
的一整套模型生成和修整工具 。为了方便地生成 具有对称性 、独立性 、任意型等特点的模型 ,操作 工具如 Reflect ,Divide ,Arbitrary ,Overlap 等选项多 角度处理对称 、分割 、任意成型 、覆盖等建模操作 , 若模型实体发现改动的情况 ,提供 Move/ Modify 等 位置移动处理工具 。
联系人 :王丽娟 ,工程师 ,沈阳市 (110006) 东北大学材料与冶金工程学院
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图 1 轧制过程平面模型的立体模型
图 2 轧辊网格模型的处理
3 材质参数
轧制中多材质实体问题 ,先分别生成各个特 质部位 ,应用 Overlap , Glue 等复合工具使他们生 成一 个 实 体 。对 于 各 向 异 性 材 质 , 提 供 了 Or2 thotropic 选项界面 ,为分析屈曲及稳定问题提供了 方便条件 。
关键词 ANSYS 有限元 轧制变形 数据处理
PROCESSING OF FINITE EL EMENT ANALYSIS ANSYS IN ROLL ING DEFORMATION Wang Lijuan Shun XueKun
(Northeast University) Synopsis Problems encountered in processing the metal rolling deformation by finite element software ANSYS are discussed in the paper including model building ,material properties ,finite ele2 ment analysis , loading and resultant data processing. A few unusual problems encountered were solved by various methods in the protreatment ,solution and post treatment ,and certain proposals ad2 vanced in light of the problems. Keywords finite element ANSYS rolling deformation data processing
(4) 工程概率优化设计方法可推广于 U 型 钢 、角钢 、工字钢等品种的剪切规程设计 。同时 , 也可以应用于轧钢系统其它阶段的设计中 。
参考文献
1 A. H. Sang 等. 工程规划与设计中的概率概念. 北京 :冶金工业 出版社 ,1985
(收稿日期 :1998 —06 —22)
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应用微机中的图表和曲线处理软件 ,生成图 、 文 、表 、曲线并存的多型式数据信息 ,更直观地分 析问题 。例如在进行重轨失稳分析中给出了应力 应变数据 ,而工程需要了解重轨的速度场分布 、表 面轧制力情况 ,采用 C 语言编译程序过滤数据文 件 ,根据变形问题的理论与数学公式 ,得到需要的 数据信息 ,形成能够反映速度场变化的曲线 ,显示 三维应变波动情况和表面轧制力情况 。
图 4 轴承座对称加载约束 1 1/ 4 轴承座模型 2 1/ 4 轴承座对称位移约束
塑性加工问题中对重轨加载后的稳度要求很 高 ,重轨模型由二维问题模拟处理后 ,其静态失稳 情况与实际近似 。为更清晰地分辨实际中变形失 稳分布情况 ,在二维模型基础上 ,采用 SOLID45 八 节点体单元进行处理 ,受压表面节点载荷成三个 阶段处理 ,对受压重轨上表面模拟真实载荷状态
及约束条件 ,处理后的结果反映了失稳情况 。图 5 为模拟轨梁轧制 ,分 3 次加载处理 ,模拟轧制时 受力状态 。
6 处理数据
工程轧制要求的多样性 ,使分析的数据不都
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图 5 轨梁道次轧制加载图
是需要的最终数据 ,必须先使数据生成文件 ,转入 工作站 UNIX 系统环境下 ,经编译过滤处理 ,才得 到需要的数据结果 。C 语言是一种适宜 ANSYS 数据再处理的高级编译语言 ,它的可移植性满足 再处理数据的要求 。
1999 年 1 月
January 1999
钢 铁 研 究
Research on Iron & Steel
第 1 期 (总第 106 期)
No. 1 (Sum106)
轧制变形的 ANSYS 有限元分析的处理
王丽娟 孙雪坤 (东北大学)
摘 要 讨论了 ANSYS 有限元软件在处理金属轧制变形中遇到的建模 、材质 、有限 单元剖分 、加载和结果数据处理等方面的问题 ,通过运用前处理 、求解 、后处理中的多种 方法 ,解决了出现的特殊情况 ,并针对各方面问题提出了一些建议 。
分析结果还存在误差问题 。如果参数变动的
分析结果具有一种收敛的趋势 ,我们认为分析结 果可信 ,同时需要实际的现象或实测的数据支持 分析结果 ,以减小或补偿误差 。
7 结 论
通过 ANSYS 有限元软件分析轧制变形问题 , 我们更加认识到 ANSYS 的灵活方便与模拟可信 性 ,它能够直观地解析各种轧制变形状态 ,为数据 结果信息提供了多种输出方式 ,成为解析轧制变 形问题的一种好的有限元工具 。
在金属轧制问题中 ,钢铁材料随 C、Fe 、Cr 、Mn 等元素含量的不同 ,材质的特性不同 ,生产板 、带 、 管 、型材等多种钢铁制品的性能要求不近相同 ,因 而 ,钢铁材料材质设定对于解决问题非常重要。 表 1 给出了钢铁材质一些特性的通用范围值 ,当 处理特定问题时仍需要钢材性能的实际数据 。
由点 、线 、面到体的多种单元划分方法 ,可以 根据需要有选择地进行剖分 。在没有专门设定情 况下 ,采用 Default Size 缺省尺寸 ,适宜模型无特定 剖分的单元生成 。单元划分时常常会遇到一些特 殊情况 ,例如 ,尖锐形状的实体部位生成单元时 , 会出现单元过渡困难的情况 ,ANSYS 很完善地处 理了单元形状的不协调状态 。实际中已经预先知 道实体应力集中的部位 ,在单元网格划分时 ,对该 部位加以细分 ,见图 3 ,轧机机架底座应力集中 , 对其局域细化 。
解决问题时 ,我们遵循由简单到复杂的原则 进行分析 。对于实体而言 ,首先简化成二维问题 , 得到平面有限元处理结果 ,对问题有一个初步认 识 ;再扩展生成三维实体 ,得到三维实体状态的有 限元分析结果 ,轧制过程的平面模型和立体模型 见图 1 。
理想模型简化了实体形状 。在轧辊受力分析 中 ,不影响处理结果的插槽 、轴肩和定位孔等细节 的简化 ,模型具有对称结构 ,可分析对称局部 ,如 图 2 所示 ,左为轧辊实体图 ,右为用于仿真分析的 1/ 4 平辊网格图 。
参考文献
1 美国 IMAG公司. ANSYS 5. 1 技术报告 ,1995 , (2) 2 邵万鹏 、李波. ANSYS 与材料科学. 金属材料 :1996
(收稿日期 :1998 —03 —22)
(上接第 15 页)
7 结 论
(1) 较系统地分析了轧钢剪切特点及进行剪 切规程设计方法的优缺点 ,成功地把工程概率优 化设计方法引入剪切规程设计中 。
钢材 铸钢
表 1 钢材材质特性常数
弹性 模量
泊松 比
GPa
密度 g·cm - 3
摩 擦 系 数
稳 态
动 态
202 0. 3 7. 8 无润滑 有润滑 无润滑 有润滑
碳钢 合金钢 206 0. 3
7. 8 7. 9
0. 15
0. 1 0. 12
0. 15
0. 05 0. 1
4 单元网格划分 一些形状较简单的模型采用四节点平面四边
及八节点为立体元系列 ,复杂形状可采用多节点 平面三角形与四边形混合单元及立体锥 、棱柱与 六面体混合单元 ,针对特殊要求 ,有限元形状选择 可以做到灵活处理 。
塑性加工使用弹性有限元 、弹塑性有限元 、粘 塑性有限元等 ,根据变形状态有大变形处理 、加工 硬化处理等 。弹性材质变形后可恢复 ;弹塑性有 限元用于解决材质由弹性变形过渡到塑性变形后 应力应变发生显著变化的情况 ,其中单元划分影 响处理结果 ,对正确分析变形过程影响很大 ;粘塑 性有限元考虑了材质特性和本构关系 ,求解变形 过程应力应变分布情况 。
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图 3 机架网格局部细化 1 整体机架变形 2 机架对称部分变形 3 机架底座局部网格
5 加载条件
求解算法处理和加载需要满足多种分析的要 求 ,可采用大变形 、加工硬化 、Newton 优化法 、非线
性处理等多种算法 ,加载提供了位移 、力 、变形 、温 度等约束工具 ,真实地描述加载状态 。如图 4 所 示 ,轴承座受力分析中 ,在 1/ 4 模型的三个对称面 加以对称位移约束 ,与整体分析的影响是一致的 。