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1、金属成型过程数值模拟 上 机 实 验 报 告 (指导教师：沈晓辉老师 ) 姓名：陈伟健 学号： 129024074 班级：型 123班 上机实验时间： 6月15日 金属成型过程数值模拟 上 机 实 验 报 告 专业：材料成型与控制工程班级：型123 机位号 10 姓名：陈伟健学号： 129024074 指导教师：李胜祗、沈晓辉、王世宏、白丽杨、毛艳侠、张宁、胡伟、杨文凯等 实验名称：中厚板二辊粗轧第一道轧制过程数值模拟仿真 上机实验时间：第一次2015 年 6 月 15 号 14:0018:00 报告完成日期：2015 年 6 月 18 号 上机实验地点：材料科学与工程学院计算机仿真实验室 金
2、属塑性成型数值模拟系统:硬件配置DELL 3.0G CPU/2.0G RAM 软件系统MSC. Autoforge 3.1 一、实验原理 1.金属成型过程有限元分析的基本思想：基本原理是将求解未知场变量的连续介质体划 分为有限单元，单元由节点连接，每个单元内用差值函数表示场变量，差值函数由节点的 对应数值确定，单元之间的作用由节点传递，建立物理方程。将全部单元的差值函数集合 成整体场变量的方程组，进行数值计算。计算步骤 :(1)连续介质的离散化(2)选择差值函数 (3) 进行单元分析 ;(4)集合成系统方程组(5)求解方程组 (6)进行参数计算。 2.MSC.Autoforge 功能简介MSC
3、.AutoForge 是采用 90年代最先进有限元网格和求技术, 快速模拟各种冷热锻造、挤压、 轧制以及多步锻造等体成型过程的工艺制造专用软件。它综 合了 MSC.Marc/MENTAT通用分析软件求解器和前后处理器的精髓，以及全自动二维四边 形网格和三维六面体网格自适应和重划分技术，实现对具有高度组合的非线性体成型过程 的全自动数值模拟。其图形界面采用工艺工程师的常用术语,容易理解,便于运用。 MSC.AutoForge 提供了大量实用材料数据以供选用，用户也能够自行创建材料数据库备用。 MSC.AutoForge 除了可完成全2D 或全 3D 的成型分析外，还可自动将2D 分析与3D 分析
4、 无缝连接， 大大提高对先2D 后 3D 的多步加工过程的分析效率。利用 MSC.AutoForge 提供 的结构分析功能， 可对加工后的包含残余应力的工件进行进一步的结构分析，模拟加工产 品在后续的运行过程中的性能，有助于改进产品加工工艺或其未来的运行环境。此外， 作 为体成型分析的专用软件，MSC.AutoForge 为满足特殊用户的二次开发需求，提供了友好 的用户开发环境。MSC.Autoforge 分析步骤（ 1）前处理。（ 2）分析。（ 3）后处理 二、实验条件和要求 1.1 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： 25
5、00mm，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）。 1.2 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P max(kN) 三、上机步骤 3.1 文件操作 在开机后，进入分析系统前，先在D 盘下建立
6、自己的子目录。子目录名必须为自己的 学号如你的学号为029014145，则子目录名为029014145。建立的方法是在桌面上用鼠标左 键双击“我的电脑”，进入D 盘根目录，按鼠标右键，从弹出的菜单中选择“新建”“建 立文件夹”，建立新文件夹，然后将“新建文件夹”改为自己的子目录名（学号）。 3.2 进入分析系统 用鼠标双击AutoForge 3.1 SP1，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 ANAL YSIS 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。用鼠标左键点击静态菜单中FILES 按钮，再点击动态菜单中current
7、directory，在弹出的菜单中选择进入自己建立的文件夹。 33 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 轧辊是一个转动体，即这类几何体要绕自身轴线旋转。在 MARC 中规定： 旋转轴一 定是局部坐标系的y ?轴。因此要完成对轧辊的定义，
8、首先要进行局部坐标系o-xyz 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o-xyz 原点在整体坐标系0-xyz 中的坐标； B. 局部坐标x 轴上一点在整体坐标系中的坐标； C. 局部坐标y 轴上一点在整体坐标系中的坐标。 一般情况下，可取x=y=1 。于是对本问题有如下三点： （0，492，0） 、 （0，493，0）和（ -1，492，0） 。 点击MESH GENERATION ，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
9、 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) REVOLVE CURVES ( 选中刚生成的直线，再按鼠标右键即生成轧辊曲面) 4, 20 （欲划分的网格密度，宽度方向20、厚度方向4 个单元） SURFACS TO ELEMENTS Surface （选中刚生成的四边形，即生成20 4 个 Q4 单元） EXPAND TRANSLATION 0, 0, -20 （向轧制反方向
10、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4 20 50 = 4000 个 8节点六面体单元）。 点击SWEEP-NODES ，以除去多余节点。 点击RENUMBER 进行节点编码优化。 刚生成的轧件前端面处在变形区出口截面，必须进行z 方向的移动操作，将轧件前端移 至变形区入口截面（咬入点位置）。移动的距离即为变形区长度。操作步骤如下： MESH GENERATION MOVE TRANSLATIONS 0, 0, -2 ELEMENTS ALL-EXIST （可
11、根据情况进行多次点击，直到将轧件前端移到所希望的位置，或者先粗 移后微移。也可按计算出变形区长度将轧件一次性移到指定位置） (3) 推头的定义 推头的作用是帮助轧件咬入，仅此而已。一般通过在轧件后端面处设置一个按预定速度V z 向前移动的平面来完成。本例可紧贴轧件尾部定义一个平行于轧件后端面的四边形。要求该 四边形的长和宽（由其四个点的y x 、坐标确定）比轧件的轮廓尺寸大，一般在y x 、 正 负方向各大一个单元尺寸即可，本例可大10。该平面的纵向位置由坐标z 确定， 而 z 可 通过显示轧件尾部节点获得，即在MESH GENERATION菜单下点击NODES-SHOW ，再点 轧 件 后
12、端 面 任 意 节 点 ， 便 可 在 命 令 操 作 区 中 见 到 所 选 节 点 的 坐 标 值 。 做出推头后，本成型系统所有几何体的描述就完成了。 3.3.2 材料性质定义 前面对几何体进行了描述，也完成了轧件的离散化，生成了单元网格，但轧件是什么材 质尚未定义。 本例材料可从MARC 材料库中选取， 然后将材料性质施加到所有单元上。操 作如下： MAIN MATERIAL PROPERTIES READ C22 （相当于20#钢） RETURN ELEMENTS-ADD ALL-EXIST RETURN 3.3.3 初始条件定义 本例的初始条件仅为初始温度条件，并视轧件为均匀温度场
13、，操作如下： MAIN INITIAL CONDITIIONS THERMAL TEMPERATURE ON TEMPERATURE 1250 OK RETURN NODES-ADD ALL-EXIST RETURN 3.3.4 边界条件定义 由于我们要完成的是力学分析，而不是热力耦合分析，不必考虑传热问题，故本例的边 界条件仅为轧件对称面上的位移边界条件。定义过程如下： MAIN BOUNDARY CONDITIONS MECHANICAL NEW NAME dis_x （在命令操作区键入x 方向的位移边界条件名） FIX DISPLACEMENT X DISPLACE ON OK NODE
14、S-ADD （用BOX 法选中对称面1 上的所有节点，再按鼠标右键） NEW NAME dis_y （在命令操作区键入y 方向位移边界条件名） FIX DISPLACEMENT Y DISPLACE ON OK NODES-ADD （用BOX 法选中对称面2 上的所有节点，再按鼠标右键） 3.3.5 接触体的定义 本例有3 个接触体。先定义轧件，后定义工具等其它接触体。 MAIN CONTACT NEW NAME billet （第1 个接触体） WORKPIECE ELEMENTS-ADD ALL-EXIST NEW NAME roll （第2 个接触体） RIGID TOOL FRICTI
15、ON COEFFICIENT 0.7 （摩擦因子） REFERENCE POINT 0, 492, 0 （旋转参考点坐标） ADITIONAL PROPERTY ROTATION （RAD/TIME ） 8.3776 （由80rpm 换算成rad/s） ROTATION AXIS -1, 0, 0 （旋转轴方向余弦） OK NEW NAME push （第3 个接触体） RIGID TOOL ADITIONAL PROPERTY Z-velocity 1500 （此速度按轧件速度估计，一般取轧速的5070%） OK RETURN 3.3.6 接触表定义 接触表定义所有接触体的相互接触关系，步骤
16、如下： MAIN CONTACT CONTACT TABLE NEW CONTACT PROPERTY （让轧辊和推头都与轧件接触） RETURN 至此，有限元分析模型已经建立 3.4 求解分析 3.4.1 定义载荷工况 MAIN LOADCASE CONTACT TABLE ctable1 OK CONVERGENCE TESTING relative displacement OK TOTAL LOADCASE TIME 0.412 #STEPS 600 FIXED TIME STEPS OK 3.4.2 定义作业参数 MAIN JOBS JOB PROPERTIES lcase1 INITIAL LOADS OK CONTACT CONTROL DISTANCE TOLERANCE 0.25 SHEAR DOUBLE SIDE RELATIVE SLIDE VELOCITY 5 SEPERATION FORCE 0.1 CONTACT TABLE ctable 1 OK JOB PARAMETERS RESTART WRITE RESTART DA TA
