平板轧制过程的无限元模拟[精彩].doc

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东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室
   1 工程背景介绍
   轧制是旋转的轧辊将材料带入辊缝之间并使之产生变形的过程。接近轧件头尾端的变形是非稳定变形,而在其他部分,沿轧件前进方向上条件没有急剧的变化,故为稳定状态。轧制生产中,材料的塑性变形规律、轧辊和轧件之间的摩擦现象、材料中的温度和微观组织的变化、轧制过程中的压下率、宽厚比等及其对轧件质量的影响,都是非常复杂的问题。影响生产效率和生产质量的原因很多,从现场和实验中得到的规律和理论很难覆盖所有方面,而且耗费巨大。采用数值模拟的方法进行数值实验是近年来理论研究中的趋势,将有限元方法应用于轧制过程的理论研究不但可以节省实验费用,而且因其高速性和可靠性可以对轧制过程中不易进行实验研究的课题进行深入地探讨。
2 问题介绍
   平板轧制技术表面上看起来非常简单,但是实际生产时遇到的问题很多,并且有些至今尚未很好地解决。如轧制变形区内的三维应力应变分布规律、中厚板的平面形状规律、咬入和抛钢阶段的不稳定变形等。因此,采用有限元方法特别是弹塑性有限元方法对轧制过程进行分析仍非常必要。
   在轧制过程的弹塑性有限元分析中,按所用的有限元计算方法可以分为两大类:迭代算法求解微分方程的隐式算法和差分积分方法求解微分方程的显式算法。本文简述了本实验室对平板轧制过程进行模拟的一些情况,着重介绍采用ANSYS和ANSYS/LS-DYNA进行平板轧制过程模拟的基本思路,并对采用显式和隐式算法中的一些差别进行了比较。
3 模型描述
隐式二维刚性辊轧制过程模拟
   采用ANSYS隐式算法计算二维刚性辊轧制过程中,辊为刚性辊,轧辊的运动通过PILOT节点进行控制,可使轧辊匀速转动。轧件采用PLANE42单元进行网格划分,并且根据对称性只取轧件的上半部分进行分析,在对称边界上施加对称约束。轧辊与轧件间的接触采用库伦摩擦。轧辊转动和轧件向前运动适当距离时计算一次,直至完成轧制过程。
隐式二维弹性辊轧制过程模拟
   隐式二维弹性辊轧制过程,轧辊为弹性辊,弹性轧辊采用PLANE42进行网格划分,轧辊的转动由附加于轧辊上的具有转动自由度的梁单元来施加,轧辊与轧件之间的接触仍采用库伦摩擦。
隐式二维刚性辊轧制过程计算模型
隐式二维弹性辊轧制过程计算模型
隐式三维刚性辊轧制过程计算模型
隐式三维刚性辊轧制过程模拟
   隐式三维刚性辊轧制过程,轧辊为刚性圆柱体,依靠PILOT节点进行控制,使其绕轴线匀速转动。根据对称性,轧件取四分之一部分建立模型,采用SOLID45进行网格划分,轧辊与轧件间的接触仍然采用库伦摩擦。其它计算条件与前述相似。
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