金属塑性成形模拟-轧制

2017-08-25  by:CAE仿真在线  来源:互联网

弯曲、挤压、模锻、轧制、冲裁等等都是比较成熟的金属塑性成形工艺。相比于一般的静强度分析,这些工艺的模拟往往涉及材料非线性,接触非线性,大变形,多场耦合等难点,因此分析起来会比较麻烦。这里面有些问题像弯曲,模锻使用ansys静力分析结合网格重画分技术能够较好的模拟,有些则不得不使用ls-dyna或abaqus之类的显示动力分析软件进行分析(强大的接触算法与时间积分能力)。本文主要使用ls-dyna对三辊行星轧制这一工艺进行模拟,前处理流程在hypermesh13.0中完成,主要参考文献:《三辊行星轧机轧制过程分析》-岳峰丽。

2.几何模型建立

几何模型可以在任意一款三维建模软件中建立,主要参数:轧件直径30mm,长度100mm,轧辊大端直径94mm,小端直径30mm,厚度55.43mm,倾斜角与偏转角分别为40°与15°,下面是建立好的三维模型(使用solidworks的3D草图技术能较为方便地建立轧辊轴线):

为了降低计算规模,将轧辊看成刚体,使用壳单元进行模拟,厚度定为1mm,轧件使用实体单元solid164进行模拟。

3.网格划分

将上述建立好的几何模型另存为x_t格式文件,导入hypermesh中,进行网格划分,得到如下网格模型(使用ls-dyna960模板):

4.材料属性定义

轧件与轧辊的材料属性如论文中所示:

其中轧辊使用*mat20定义为刚体材料,轧件使用*mat3定义为塑性动力学材料。

5.约束及载荷

轧辊施加18.85rad/s恒定转速并限制其他方向位移,轧件施加沿x方向50mm/s的初速度以便顺利咬入轧辊中。由于轧辊的轴线并不与总体坐标系平行,因此需要设置轧辊的局部坐标系。将建立好的局部坐标系分别赋予轧辊的刚体材料上,并约束除了转轴方向的所有自由度,如下:

其中11是一号轧辊的局部坐标系,1111110表示约束在该局部坐标系下的x,y,z位移与绕x,y的转动。Com置为-1表示采用局部坐标系,否则使用总体坐标系。

每一个轧辊约束好之后,采用*boundary_motion_prescribed_rigid_local关键字定义轧辊在局部坐标系下的转动,如下:

其中dof置为7表示施加的为绕局部坐标系Z轴的转动,lcid为定义的载荷曲线,这里比较简单,定义常载荷曲线即可。

轧件的初速度使用关键字*initial_velocity_generation进行定义,如下:

为了使轧件不便宜轴线,最好约束轧件中轴线的径向位移,这里由于三辊对称就不进行约束。

6.接触设置

将三个轧辊组建为一个set,定义轧件与改set的面面接触,设置动静摩擦系数均为0.5,其余默认即可。

7.求解设置

设置分析时间为0.2s,结果按每0.001s进行导出,时间子步设置默认,接触控制采用默认刚度,打开壳体厚度检测开关,打开能量控制开关。设置完毕后,导出为ls_dyna960模板,直接提交给其主程序进行求解。

8.结果查看

0.05s应力云图

0.1s应力云图

0.2s应力云图

总体应力云图动画

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