【技術(shù)篇】Abaqus雙程軋制仿真

2017-03-23 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要

熱軋是一種基本的金屬成型技術(shù),它可以將預(yù)成型形狀轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K產(chǎn)品或者是適用于進(jìn)一步加工的形狀,該過程通常包括將受熱的的坯料通過多組成型輥,直到形成所需要的橫截面形狀。材料在熱軋過程中的延展性在該制造方法中十分重要,Abaqus包含了對該過程進(jìn)行建模仿真所需的全部功能,并已廣泛應(yīng)用于金屬加工行業(yè),以優(yōu)化輥道設(shè)計(jì)。

背景

本文介紹了雙行程軋制仿真過程,它是形成軌道所需多通道操作的一部分,該工藝的開始階段是讓受熱預(yù)成型坯料通過一對滾動的成型輥,在軋制過程中,通過噴射冷卻液使其冷卻,確保在通過下一對成型輥之前坯料已經(jīng)冷卻。通過在多通道軌跡新成型輥上重復(fù)該工藝過程來形成所期望的鋼軌橫截面。

有限元分析方法

雙行程軋制過程建模的分析步驟如下:

1.第一軋制行程在Abaqus/Explicit中進(jìn)行,直到獲得穩(wěn)定的軋制解。

2.用Abaqus/CAE獲取穩(wěn)態(tài)平面處變形橫截面的二維網(wǎng)格。

3.用Abaqus/Standard中的二維瞬態(tài)熱分析來模擬熱軋過程45秒間的冷卻過程。

4.在Abaqus / CAE中生成具有更細(xì)網(wǎng)格的橫截面新模型,在第二次熱分析過程中,利用Abaqus/Standard中的子建模功能將步驟3中的冷卻分析所得的溫度結(jié)果轉(zhuǎn)移到新的模型中。

5.基于步驟4中所獲得的橫截面網(wǎng)格和溫度信息,在Abaqus / Explicit中創(chuàng)建用于第二軋制行程的三維網(wǎng)格。

6.在 Abaqus/Explicit中進(jìn)行第二軋制行程分析,直到獲得穩(wěn)定的軋制解。

Abaqus的關(guān)鍵特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)

·通過Abaqus/Standard和 Abaqus/Explicit模塊的結(jié)合,可以獲得時間最優(yōu)解。

·可以實(shí)現(xiàn)堅(jiān)固的機(jī)械和熱接觸作用。

·可以實(shí)現(xiàn)金屬軋制的批量生產(chǎn)。

·自適應(yīng)網(wǎng)格劃分。

·當(dāng)檢測到穩(wěn)態(tài)條件時,自動結(jié)束求解。

·利用Abaqus / CAE中的Python腳本,可以基于以前的分析結(jié)果構(gòu)建新模型。

軋輥孔型分析

對于每一個軋輥孔型分析,軋輥都建模成恒溫的分析剛體,而且將模擬軋輥和可變形軌道之間的熱傳遞。由于塑性作用和摩擦接觸效應(yīng),在軌道中會生成熱量,因流體冷卻導(dǎo)致軌道熱量損失是對流傳熱的邊界條件,同時包括周圍環(huán)境的輻射,因此,這些分析可以采用Abaqus / Explicit中的完全熱應(yīng)力耦合方法解決。

圖1 變形料和剛性輥

在軋輥孔型分析時,可以采用Abaqus/Explici中自適應(yīng)網(wǎng)格劃分處理軋軌以保證軋軌變形時的高質(zhì)量網(wǎng)格,采用質(zhì)量縮放可以加快求解速度,Abaqus / Explicit對大型金屬軋制件可以進(jìn)行自動質(zhì)量縮放,它可以基于軋制過程中的若干參數(shù)來選擇最佳縮放系數(shù),為了獲得最大的計(jì)算效率,一旦求解達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),分析過程將自動終止,而判斷是否達(dá)到穩(wěn)態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)是基于剛性輥上的力和扭矩以及橫截面上的延展和塑性應(yīng)變,一旦平面元素達(dá)到了穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn),包含這些元素的集合將會自動生成并輸出到數(shù)據(jù)庫文件中。

熱分析

使用Abaqus / CAE進(jìn)行軋軌間冷卻分析的網(wǎng)格是從第一次軋制分析的輸出數(shù)據(jù)庫中提取出來的,通過一個腳本提取穩(wěn)態(tài)元素集中單元前端面上的節(jié)點(diǎn),并將它們投影到平面上以給出所需的網(wǎng)格,該腳本還將第一軋制分析得到的溫度從三維空間映射到二維通道傳熱網(wǎng)格。

一個新的,更細(xì)的橫截面網(wǎng)格將用于第二軋制分析,為了映射來自第一次熱傳遞分析的溫度,需要對新的網(wǎng)格進(jìn)行第二次熱傳遞分析,用于第二次熱傳遞分析的新網(wǎng)格也使用該腳本在Abaqus / CAE中生成,該腳本以第一次熱傳導(dǎo)輸出的數(shù)據(jù)為輸入量,將其讀入網(wǎng)格,并從網(wǎng)格中生成幾何單元,這個生成的新單元被網(wǎng)格化之后被用于第二次熱傳遞分析,因?yàn)樾律傻亩S網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)位置于用于熱層傳遞分析的網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)位置不同,所以在新網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)進(jìn)行溫度差值,為此使用了Abaqus / Standard中的子建模技術(shù)進(jìn)行熱傳遞分析。

通過第二次熱傳遞分析所得的溫度值將會被用作第二次軋制分析的初始溫度值,用于第二軋制分析的輸入文件由用戶根據(jù)第二次熱傳遞分析的網(wǎng)格所編寫,和之前一樣,采用腳本方法可以自動完成此過程。第二軋制過程和第一軋制過程運(yùn)行的方式一樣,而且當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)解時也會自動終止。

圖2:未變形坯料橫截面網(wǎng)格和第一次軋制過程的剛性輥型材

圖3:截面網(wǎng)格和第二次軋制過程的剛性輥型材

結(jié)果分析及討論

當(dāng)滿足用戶定義的穩(wěn)態(tài)軋制條件時,第一軋制自動終止,從而減少了分析所需時間,軋軌表面的最大應(yīng)力位于軋輥接觸點(diǎn)的下方,如圖4所示。

隨著分析的進(jìn)行,變形接近穩(wěn)態(tài)條件,如果分析結(jié)果超出了這個點(diǎn),當(dāng)多次通過壓輥時,軌道橫截面的變形將會重生成,如圖5所示,最大的塑性應(yīng)變發(fā)生變形量最大的輥下面。

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圖4:第一次軋制后坯料Mises應(yīng)力分布圖

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圖5:第一次軋制后坯料等效塑性應(yīng)變圖

塑性變形會引起發(fā)熱,如圖6所示,峰值溫度非常集中,對應(yīng)于塑性應(yīng)變中的峰值。

在輥軋之間,原料冷卻顯著,并且其溫度梯度降低,圖7顯示了用Abaqus / Standard對冷卻進(jìn)行仿真時,熱傳遞分析結(jié)束時的溫度。

當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時,第二次軋制過程將會終止,另外,當(dāng)滿足用戶定義的穩(wěn)態(tài)條件時,整個網(wǎng)格將不會在輥之間通過。

第二次軋制結(jié)束后的Mises應(yīng)力,等效塑性變形以及溫度如圖8,9,10所示,這些圖顯示的特征和第一次軋制過程中類似。

通過采用新的滾輪輪廓重復(fù)滾動路徑,可以進(jìn)一步修改軋軌輪廓,考慮到輥軋成型工藝的重復(fù)性,該模擬分析過程非常適合自動化,Abaqus公司和Chorus為產(chǎn)品開發(fā)了一個完全集成的軋機(jī)模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)本文描述的多個

程的自動化,了解更多的內(nèi)容,請參考:

www.simulia.com/services/serv_ex_corus.html .

隨著6.4版本的發(fā)布,該版本包含了一個用于定制Abaqus / CAE GUI界面的工具包,該工具包是Abaqus實(shí)現(xiàn)過程自動化的工具之一,它可以允許用戶修改和擴(kuò)展Abaqus / CAE的功能,并且能夠使廣泛的用戶生成更高效的Abaqus算法。