轧制模拟msc.marc

1、7.5 轧制成形分析应用实例下面几节将以实例的方式来介绍MARC中金属轧制成形分析的详细过程。7.5.1 案例说明本案例来自于国内某钢厂的一个热轧项目。其轧制过程如图7.8所示，为双辊对称轧制。图7.8 轧制工艺为了得到板厚比较均匀的轧制成品，该轧制分两道次进行，第一道次压下38mm，第二道次压下17mm，成品厚度为45mm。两道次的主要参数如表7.1所示。材料参数： Q235：可以采用MARC材料库中的 QSt 32-3,它是Q235种的一种 5CrNiMo的材料属性如表7.2所示。表7.1 轧制工艺参数道次轧前厚度(mm)压下量(mm)开轧温度(oC）辊宽(mm)辊径(mm)轧制速度(m/

2、s)板宽(m)材料110038950505011504.03辊：5CrNiMo板：Q23526217900505011504.03表7.2 5CrNiMo的材料属性温度（）弹性模量（Gpa）比热（KJ/(KgK)）导热系数(W/(mK)泊松比密度（Kg/m3）-10021700037145.10.37850021300045145.12021200046145.110020700049645.120019900053344.130019200056841.940018400061139.450017500067737.960016400077834.415007812077834.4板和辊之间

3、的摩擦系数为0.3。分析目的为： (1) 分析轧制过程中工件和轧辊的温度分布；轧辊刚度足够，不用考虑其变形(2) 计算轧制力(3) 分析轧制过程中的应力分布情况(4) 分析板厚和板形7.5.2 模型的简化在提出的几个分析目的中，轧制温度和轧制力是可以在二维模型中计算得到的；因此，可以先进行二维的分析；三维应力分布、板厚、板形只能在三维模型中进行查看。由于该轧制过程为两辊可逆轧制，因此，在轧制厚度方向只需要选取一半进行分析即可。轧辊刚度足够，但需要计算轧辊的温度分布，因此，应该把轧辊建立成热传导刚性接触体（Rigid and heat transfer）。热轧过程，应该进行热-结构耦合分析。7.

4、5.3 第一道次轧制仿真下面将从建立有限元模型开始逐步演示轧制仿真的具体执行过程。(1) 建立几何模型取轧板长度为800mm进行分析。接触时，轧辊与板发生接触，二者不仅存在应力的传递，而且温度也会发生变化；为了比较准确的分析这一过程，同时考虑计算效率的问题，对于轧辊采用非均匀网格的划分形式，即：可能发生接触的区域网格划分较密；其他区域网格可以划得较稀。最后画出的网格效果如图7.9所示。图7.9 有限元网格MAINFILES SAVE AS zhazhi1.Mud OKPLOT POINTS SETTINGS： LABELS（ON） CURVES SETTINGS LABELS(ON) MAIN

5、MESH GENERATION PTS ADD： 1140.2955 684.1159 2525 CURVE TYPE ARCS：CENTER/RADIUS/ANGLE/ANGLE RETURN CURVE ADD 选择point 1 575 135 251 CURVE ADD 选择point 1 575 251 135 AUTOMESH CURVE DIVISIONS FIXED #DIVISIONS 40 APPLY CURVE DIVISIONS 1 # FIXED #DIVISIONS 32 APPLY CURVE DIVISIONS 2 # RETURN 2D PLANAR MESH

6、ING QUADRILATERALS(ADV FRONT) 1 2 # SELECT ELEMENTS: STORE GUN OK ALL: VISIBLE RETURN RETURN PTS ADD： 152.40573 78.11625 2525 952.40573 78.11625 2525 CURVE TYPE: LINE RETURN CURVE ADD 14 15 EXPAND TRANSLATIONS 0 50 0 CURVES 3 RETURN CONVERT DIVISIONS 40 4 SURFACES TO ELEMENTS ALL: VISIBLE SELECT SEL

7、ECT SET GUN ELEMENTS STORE: BAN ALL: UNSELECTED CLEAR SELECT RETURN RETURN为使得板与辊接触，可以先设定一个接触刚体与板接触，按照轧制速度（4m/s）推动板运动，使板咬入；咬入后，该假定的接触刚体撤销，板与辊依靠二者之间的摩擦力进行轧制。因此，建模的时候，需要把该接触刚体建立起来；由于只取1/2进行分析，因此，需要在对称面上设定一个对称刚体。EXPAND TRANSLATIONS 0 200 0 POINTS 14 # (选取板最左下角的那个点) 2980 0 0 POINTS 14 # (选取板最左下角的那个点) RES

8、ET VIEW FILL RETURNSWEEP ALLRETURNRENUMBER ALL RETURN(2) 定义材料属性板的材料为Q235，可以取MARC材料库中的QSt 32-3；辊的材料为5CrNiMo，其材料属性需要自己定义。因此，首先需要建立相应的材料数据表。MAIN MATERIAL PROPERTIES TABLES NEW 1 INDEPENDENT VARIABLE NAME Cr_ConductTYPE TEMPERATURE ADD -100 45.10 45.120 45.1100 45.1200 44.1300 41.9400 39.4500 37.9600 34

9、.41500 34.4 FIT NEW 1 INDEPENDENT VARIABLE NAME Cr_SpecTYPE TEMPERATURE ADD -100 3710 45120 461100 496200 533300 568400 611500 677600 7781500 778 FIT RETURN READ QST 32-3 ELEMENTS ADD: SELECT SET: ban NEW NAME gun_mat HEAT TRANSFER CONDUCTIVITY: 1TABLE: Cr_Conduct SPECIFIC HEAT 1E6（这里采用的是t-mm-s的单位制）

10、 TABLE: Cr_Spec MASS DENSITY 7.85E-9 OK ELEMENTS ADD SELECT SET gun (3) 定义接触体及接触表该例中，辊不考虑变形，只计算热，因此定义为rigid and heat transfer;辊与板的接触传热系数为10000W/(m2.k),与空气的对流换热系数为5 W/(m2.k)；空气温度25MAINCONTACT CONTACT BODIES DEFORMABLE MECHANICAL PROPERTIES:FRICTION COEFFICIENT0.3 THERMAL PROPERTIES: HEAT TRANSFER COE

11、FFICIENT 5E-3 SINK TEMPERATURE 25 CONTACT HEAT TRANSFER COEFFICIENT 100 OK ELEMENTS ADD SELECT SET ban NAME ban COPY NAME gun RIGID w HEAT TRANSFER这里需要定义辊的旋转 MECHANNICIAL PROPERTIES VELOCITY ROTATIONAL(RAD/TIME) 7.95652 ROTATION AXIS Z: 1 OK CENTER OF ROTAION 1140.2955 684.1159 2525 ELEMENTS ADD SEL

12、ECT SET gun NEW NAME PUSH该接触体为假定推动板与辊咬合的接触体，其运动状态为：板与辊咬合之前，其运动速度为4m/s；板与辊咬合以后，该接触体回退。对于该运动，需要定义一个表格来控制。这里以position的方式来控制刚体的运动。TABLES NEW 1 INDEPENDENT VARIABLE NAME moveTYPE TIME ADD 0 0 0.1 400 0.18 0 FIT SHOW MODEL RETURN RIGID POSITION PARAMETERS X 1 TABLE move OK OK CURVES ADD 3 # NEW NAME SYM S

13、YMMETRY OK CURVES ADD 4 # 下面需要检查接触刚体的法向是否正确 ID CONTACT经检查，接触体SYM的法向反了，需要纠正。 FLIP CURVES 4 #RETURN下面定义接触表 CONTACT TABLES NEW PROPERTIES设定板和辊的接触关系为touching，其接触热传导系数也重新指定一下。 1-2 CONTACT TYPE TOUCHING MECHANICIAL PROPERTIESFRICTION COEFFICIENT 0.3 THERMAL PROPERTIES CONTACT HEAT TRANSFER COEFFICIENT 100

14、 OK将ban和push以及ban和sym设为touching的接触关系 1-3 CONTACT TYPE TOUCHING 1-4 CONTACT TYPE TOUCHING OK RETURN RETURN定义好的接触体应该如图7.10所示。(4) 定义初始条件 INITIAL CONDITION NEW NAME BAN_INI THERMAL TEMPERATURE TEMPERATURE950OK图7.10 接触的定义 SELECT SELECT SET Ban OK MAKE VISIBLE NODES ADD ALL VISIBLENEW NAME GUN_INI TEMPERA

15、TURE TEMPERATURE25OK NODES ADD ALL INVISIBLE SELECT CLEAR SELECT MAKE INVISIBLE RETURN RETURN(5) 定义边界条件由于需要考虑塑性变形生成热，因此，需要将该边界条件激活。MAIN BOUNDARY CONDITIONS THERMAL PLASTIC HEAT GENERATION PLASTIC HEAT GENERATION(激活) OK ELEMENTS ADD SELECT SET: ban RETURN RETURN(6) 定义网格重划分MESH ADAPRIVITYGLOBAL REMESH

16、ING CRITERIAL ADVANCED FRONT QUAD ADVANCED strain change element distortion penetration OK ELEMENT EDGE LENGTH SET: 15 REMESH BODY banRETURN RETURN(7) 定义作业工况MAIN LOADCASE COUPLED QUASI-STATIC CONTACT CONTACT TABLE ctable1 GLOBAL REMESH adapg1 OK CONVERGECE TESTING RESIDUALS OR DISPLACEMENTS OK RELAT

17、IVE FORCE TORLERANCE 0.1 RELATIVE DISPLACEMENT TORLERANCE 0.1MAX ERROR IN TEMPERATURE ESTIMATE 1 MAX TEMPERATURE CHANGE BEFOR REASSEMBLY 20 OK TOTAL LOADCASE TIME 0.35 CONSTANT TIME STEP PARAMETERS 50 OK OK RETURN RETURN(8) 提交分析MAIN JOBS COUPLED LOADCASES lcase1 CONTACT CONTROL FRICTION TYPE COULOUM

18、B BILINEAR(DISPLACEMENT) INITIAL CONTACT ctable1 OK ADVANCE CONTACT CONTROL SEPERATION CRITERIAL Stress RELATIVE 0.1 OK OK ANALYSIS OPTIONS LARGE DISPLACEMENTADVANCED OPTIONS CONSTANT DILATION ASSUMED STRAIN UPDATED LAGRANCE PROCEDURELARGE STRAINS OK LUMPED MASS AND CAPACITY OK ANALYSIS DIMENSION PL

19、ANE STRAIN JOB RESULTS Stress Total strain EQUIVALENT VON MISES STRESS Total equivalent plastic strain Temperature( integration point) OK OK ELEMENT TYPES THERMO-MECHANICAL ELEMENT TYPE PLANE STRAIN SOLID 11 OK SELECT SET ban OK HEAT TRANSFER ELEMENT TYPE PLANE 39 OK SELECT SET gun OK RETURN RETURN

20、SAVE(9) 递交分析 RUN SUBMIT1 OK(10) 结果后处理1） 温度分布MAIN OPEN DEFAULT DEFORMED SHAPE DEF ONLY SCALAR PLOT TEMPERATURE SCAN 50 PLOT NODES(off) POINTS(off) REGEN RETURN CONTOUR BANDS可以看到，板、辊的温度如图7.11所示。如果只需查看辊的温度，那么： SELECT SELECT SET gun MAKE VISIABLE RETURN辊的温度如图7.12所示。图7.11 板-辊系温度场分布 图7.12 辊的温度分布2） 板的应力分布

21、SELECT SELECT SETGUN MAKE INVISIBLE RETURN SCALOR EQUIVALENT VON MISES STRESS板的应力分布如图7.13所示图7.13 板的应力分布1） 查看轧制力把辊设置成刚体之后，可以直接查看其总力情况 HISTTORY PLOT PRESET BODY FORCE VS TIME得到各接触体的总力如图7.14所示图7.14 各接触体的总受力图需要注意的，这样一种力的显示，只有刚性接触体的力才是比较可靠的，柔形体力的计算尚存在问题。需要查看轧制力时，只需查看Force gun即可。7.5.4 第二道次轧制仿真第二道次是基于第一道次的

22、结果来的，因此，需要使用pre-state的功能，将第一道次加工后的残余应力考虑进来。本节只介绍pre-state(1) 将第一道次最后一步的网格数据导出MAIN OPEN zhazhi1_job1.t16 DEFORMED SHAPE OFF SCAN 50 TOOLS REZONE MESH FILES SAVE AS zhazhi2.mud (2) 修改接触体的相对位置MAIN FILES OPEN zhazhi2.mud可以看到，由于轧辊旋转了约1/4周，网格密的部位已经偏离了钢板，为此，首先将轧辊转回。在前一道次中，轧辊旋转了0.35s，角速度为7.9652rad/s，因此，旋转了1

23、80*（0.35*7.95652）/3.141593度。 MESH GENERATION ATTACH DEATTACH ELEMENTS ALL： exist MOVE CENTEROID1140.2955 684.1159 2525 ROTATION ANGLES（DEGREE） 0 0 -180*（0.35*7.95652）/3.141593 ELEMENTS SELECT SET gun OK然后，将辊移到板的另一端，并往下调整8.5mm（第二道次压下量为17mm） MOVE RESET TRANSLATIONS 1502 -8.5 0 ELEMENTS SELECT SET gun

24、OK对称接触体相应的移动1000mm TRANSLATIONS 1000 0 0CURVES 选择代表对称接触体的那条线由于第一道次过后，板坯左端的形状也不均匀了，在本道次加工中，PUSH接触体得另外画一条曲线 RETURN CRVS ADD: 依次选择板坯最左端的四个节点（如图7.15） node 629 670 node 670 711 node 711 752 node 752 793图7.15 板坯最左端的节点 CURVE TYPE COMPOSITE RETURN CRVS ADD 依次选择刚才所创建的四条曲线 删除不需要用的几何元素 CRVS REM: 选择不用的曲线 SWEEP

25、ALL REMOVE UNUSED points RETURN RENUMBER ALL RETURN RESET VIEW FILL(3) 定义材料属性 由于各物质的材料属性都没有发生任何变化，因此，可以在第二道次中直接导入第一道次的材料。MAIN MATERIAL PROPERTIES MATERIAL PROPERTIES READ READ OTHER MATERIALS zhazhi1.mud OK EDIT 1_0303_/QSt32-3 ELEMENTS ADD SELECT SET ban NEXT ELEMENTS ADD SELECT SET gun(4) 定义接触体 仿7

26、.5.3中定义接触体的步骤重新定义各接触体及接触表，这里不再重复，只不过在定义接触体gun的时候，将旋转中心，即： CENTER OF ROTATION改为 1140.2955+1502 684.1159-8.5 2525(5) 定义初始条件 INITIAL CONDITION NEW NAME BAN_prestate GENERAL PREVIOUS ANALYSIS STATE stressstraintotal equivalent plastic strain POST FILE zhazhi1_job1.t16 INCREMENT LAST SELECTED BODY ban OK

27、 OK RETURN NEWTHERMAL NAME ban_tempTEMPERATURE TEMPERATURE900OK SELECT SELECT SET Ban OK MAKE VISIBLE NODES ADD ALL VISIBLENEW NAME GUN_temp TEMPERATURE TEMPERATURE25OK NODES ADD ALL INVISIBLE SELECT CLEAR SELECT MAKE INVISIBLE RETURN RETURN(6) 定义边界条件由于需要考虑塑性变形生成热，因此，需要将该边界条件激活。MAIN BOUNDARY CONDITI

28、ONS NAME PLASTIC_HEATTHERMAL PLASTIC HEAT GENERATION PLASTIC HEAT GENERATION OK ELEMENTS ADD SELECT SET: ban RETURN RETURN(7) 定义网格重划分MESH ADAPRIVITYGLOBAL REMESHING CRITERIALPLANAR REMESHING METHODS ADVANCED FRONT QUAD ADVANCED strain change element distortion penetration OK ELEMENT EDGE LENGTH SET:

29、 15 REMESH BODY banRETURN RETURN(8) 定义作业工况MAIN LOADCASE COUPLED QUASI-STATIC CONTACT CONTACT TABLE ctable1 GLOBAL REMESH adapg1 OK CONVERGECE TESTING RESIDUALS OR DISPLACEMENTS MAX ERROR IN TEMPERATURE ESTIMATE 1 MAX TEMPERATURE CHANGE BEFOR REASSEMBLY 20 OK TOTAL LOADCASE TIME 0.35 CONSTANT TIME ST

30、EP PARAMETERS 50 OK OK RETURN RETURN(9) 提交分析MAIN JOBS COUPLED LOADCASES lcase1 CONTACT CONTROL FRICTION TYPE COULOMB BILINEAR(DISPLACEMENT) INITIAL CONTACT ctable1 OK ADVANCE CONTACT CONTROL SEPERATION CRITERIAL Stress RELATIVE 0.1 OK OK ANALYSIS OPTIONS LARGE DISPLACEMENTADVANCED OPTIONS CONSTANT D

31、ILATION ASSUMED STRAIN UPDATED LAGRANCE PROCEDURELARGE STRAINS OK ANALYSIS DIMENSION PLANE STRAIN JOB RESULTS Stress Total strain Equivalent Cauchy stress Total equivalent plastic strain Temperature( integration point) OK OK ELEMENT TYPES THERMO-MECHANICAL ELEMENT TYPE PLANE STRAIN SOLID 11 OK SELEC

32、T SET ban OK HEAT TRANSFER ELEMENT TYPE PLANE 39 OK SELECT SET gun OK RETURN RETURN SAVE(10) 递交分析 RUN SUBMIT1 OK(11) 后处理后处理过程与7.5.3类似，这里只查看第零增量步和最后增量步的结果并显示如图7.16和7.17。图7.16 第零增量步板的等效应力结果图7.17 第二道次最后增量步等效应力结果7.5.5 轧制过程的三维热-结构耦合分析为了节约计算资源，对模型和工况做如下改变： 1） 只计算第一道次，即压下量为38mm2） 取1/4模型进行分析，即在宽度方向也只取一半进行分析；初始板长取500mm3） 需要计算板形、宽展和轧制力4） 轧制的时候，不考虑轧辊的变形考虑温度在轧辊中的分布