金属成型过程数值模拟

金属成型过程数值模拟上 机 实 验 报 告专业：材料成型及控制工程 班级：型0842姓名： 姚守冠 学号：081841106实验名称：中厚板二辊粗轧第一道轧制过程数值模拟仿真指导教师：沈晓辉、杨森、曾国成等上机实验时间： 2011年5月24日 报告完成日期：2011年6月1日 上机实验地点：教三507金属塑性成型数值模拟系统：硬件配置 软件系统 MSC. Autoforge 3.1一、实验原理（参考教材相关章节）金属成型过程有限元分析的基本思想、计算步骤 MSC. Autoforge 功能简介、分析步骤二、实验条件和要求 2参数与要求2.1 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：2500mm ，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）。

2.2 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max P （kN ）。

三、实验过程1、有限元分析模型的建立（插图：图1 有限元分析模型图）陈述建模过程，从进入主菜单开始，按顺序完成前处理的所有参数设置和 定义3.1 文件操作在开机后，进入分析系统前，先在D 盘下建立自己的文件夹。

文件夹名必须为自己的学号，如你的学号为029014145，则文件夹名为029014145。

建立的方法是在桌面上双击“我的电脑”，打开D 盘，建立新文件夹，然后将“新建文件夹”改为自己的学号。

3.2 进入分析系统用鼠标双击桌面AutoForge 3.1 SP1图标，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 ANALYSIS 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。

3..3 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旋转体，即这类几何体要绕自身轴线旋转。

在MARC （AutoForget ）中规定：旋转轴一定是局部坐标系的yˆ轴。

因此要完成对轧辊的定义，首先要进行局部坐标系z y x o ˆˆˆˆ-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z y x oˆˆˆˆ-原点在整体坐标系xyz o -中的坐标；图1 局部坐标系与轧辊在整体坐标系中的B. 局部坐标xˆ轴上一点在整体坐标系中的坐标； C. 局部坐标yˆ轴上一点在整体坐标系中的坐标。

一般情况下，可取1ˆˆ==y x。

于是对本问题有如下三点： （0，492，0）、（0，493，0）和（-1，492，0）。

点击MESH GENERA TION ，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 GENERATIONSETALIGN0, 492, 00, 493, 0 定义局部坐标系-1, 492, 0RETURNCURVS TYPELINE RETURNCURVS ADDpoint (420, -1250, 0) point (420, 1250, 0)注意命令交互窗口显示FILL 即可看到直线REVOLVECURVES (选中刚生成的直线，再按鼠标右键即生成轧辊曲面)SETRESET (返回整体坐标系)（点亮静态菜单栏的DYN.MODEL 按钮，可以摁住鼠标中键对图形窗口进行旋转。

注意，要通过鼠标对图形窗口中的图形元素进行选中必须先将DYN.MODEL 按钮关闭。

） (2) 轧件的描述如前所述，轧件的变形具有对称性，因而可以取轧件横截面的1/4进行分析，如图2所示。

对工件生成有限元网格的方法有多种，本例采用转换（Convert ）—扩展（Expand ）法来生成。

先在上轧辊正下方生成一个四边形（面），代表轧件的横截面（注意是轧件横截面的1/4，这里不妨取处在第一象限的1/4，如图2所示），然后将此Quad 面转换为平面单元，再将这些平面单元向轧制的反方向（Z 的负方向）扩展，生成三维实体单元，而这些实体单元就构成了轧件（坯料）。

操作过程如下：MESH GENERATIION SURFS TYPE QUAD RETURN SURFS ADDpoint (0, 0, 0)point (0, 90, 0)point (900, 90, 0)point (900, 0, 0)CONVERTDIVISIONS3, 20 （欲划分的网格密度，宽度方向20、厚度方向3个单元） SURFACS TO ELEMENTSSurface （选中刚生成的四边形，即生成20⨯3个Q4单元） EXPANDTRANSLATION0, 0, -20 （向轧制反方向每次移动20mm ） REPETITIONS50 （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3⨯20⨯50 = 3000个8节点六面体单元）。

x y ˆ图2 利用对称性取轧件横截面1/4建模 （也可点击PTS-ADD ，通过键盘逐一生成4个点，然后点击SURFS-ADD后按顺序选取这4个点，即可生成一个QUAD 面。

这种方法的好处就是就省去了在键盘上多次键入point( )的操作）去除生成轧件断面的QuadSRFSREM (鼠标选中要去除的面)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 GENERATIONMOVETRANSLATIONS0, 0, -120ELEMENTSALL-EXIST(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z件后端面的四边形。

要求该四边形的长和宽（由其四个点的yx、坐标确定）比轧件的轮廓尺寸大，一般在yx、正负方向各大一个单元尺寸即可，本例可大±10。

SURFS ADDpoint(-10, -10, -1120)point (-10, 110, -1120)point (910, 110, -1120)point (910, -10, -1120)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：（Return 到MECHANICAL 3-D PREPROCESSIING）MA TERIAL PROPERTIESREADC22 （相当于20#钢）RETURNELEMENTS-ADDALL-EXISTRETURN3.3.3 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，操作如下：（Return 到MECHANICAL 3-D PREPROCESSIING）INITIAL CONDITIIONS TEMPERA TUREONTEMPERA TURE1250OKRETURNNODES-ADDALL-EXISTRETURN3.3.4 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：（Return 到MECHANICAL 3-D PREPROCESSIING）BOUNDARY CONDITIONS NEWNAMEdis_x （在命令操作区键入x方向的位移边界条件名）FIX DISPLACEMENTX DISPLACE ONOKNODES-ADD（框选对称面1上的所有节点，再按鼠标右键）NEWNAMEdis_y （在命令操作区键入y方向位移边界条件名）FIX DISPLACEMENTY DISPLACE ONOKNODES-ADD（框选对称面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（变形体），后定义工具等其它接触体。

（Return 到MECHANICAL 3-D PREPROCESSIING）CONTACTCONTACT DODIESNEWNAMEbillet （第1个接触体）WORKPIECEOKELEMENTS-ADDALL-EXISTNEWNAMEroll （第2个接触体）RIGID TOOL(设定轧辊相关参数)FRICTION COEFFICIENT0.7 （摩擦因子）REFERENCE POINT0, 492, 0 （旋转参考点坐标）ADITIONAL PROPERTYROTA TION（RAD/TIME）8.3776 （由80rpm换算成rad/s）ROTATION AXIS-1, 0, 0 （旋转轴方向余弦）OKSURFACESADD (点击表示轧辊的圆柱面，即指定轧辊)NEWNAMEpush （第3个接触体）RIGID TOOL(设推板相关参数)ADITIONAL PROPERTYZ-velocity1500 （此速度按轧件速度估计，一般取轧速的50~70%）SURFACESADD (点击推头)OKRETURN3.3.6 接触表定义接触表定义所有接触体的相互接触关系，步骤如下：(RETURN 到CONTACT菜单)CONTACT TABLENEWCONTACT TABLE PROPERTYTOUCH ALL（让轧辊和推头都与轧件接触）OKRETURN至此，有限元分析模型已经建立。

2、求解分析载荷工况定义、任务参数设置、提交任务3.4.1 定义载荷工况（Return 到MECHANICAL 3-D ANAL YSI）LOADCASEQUASI-STATICCONTACT TABLEctable1 OKCONVERGENCE TESTINGrelativedisplacement OKTOTAL LOADCASE TIME0.4237#STEPS600FIXED TIME STEPSOK3.4.2 定义作业参数（Return 到MECHANICAL 3-D ANAL YSI）JOBSJOB PROPERTIESlcase1INITIAL LOADS OK （边界条件和初始条件都选上）CONTACT CONTROLDISTANCE TOLERANCE 0.25SHEARRELATIVE SLIDE VELOCITY 5SEPERATION FORCE 0.1CONTACT TABLE ctable 1OKJOB RESULTSFREQUENCY5srtessstrainpl_straintepl_strain (Total equivalent plastic strain)von_mises (Equivalent V on Misis stress)mean_normal (Mean normal stress)OKOK3.4.3 求解运行及过程监控(回到JOBS菜单)RUNSUBMIT 1MONITOR（可以在RUN JOB窗口中观察程序的运行状态。