塑性有限元课程作业.doc

楔横轧过程模拟分析楔横轧过程模拟分析塑性有限元课程报告班级： 学号： 姓名：1、前沿 轧机轴线与轧辊轴线平行，轧辊的辊面上带有楔型凸棱，轧制过程中轧件与轧辊做相反方向旋转的，统称为楔横轧。楔横轧适合于成形高径比的回转件，产品质量好，尺寸形状精度高，材料利用率高，振动小，噪声小，劳动强度低，易于实现机械化和自动化。与传统的锻造或切削工艺相比，楔横轧工艺有如下优点:生产效率高，通常是其它工艺的5-20倍。如果产品的几何形状不太复杂，那么使用对称模具一次就可以加工一对工件。在实际生产中，轧辊的转速通常为10-30rpm,那么每分钟至少可以轧制10-30个工件。材料利用率高。通常，在传统机械加工中（例如切削加工)约有40%的材料以切屑的形式浪费掉，而在楔横轧工艺中仅有不足10%的材料浪费掉。产品质量好。楔横轧件金属纤维流线沿产品外形连续分布，并且晶粒进一步得到细化，所以其综合机械性能较好，产品精度也高。工作环境得到了改善。由于楔横轧轧制成形过程中无冲击，噪音小，加之无需冷却液的使用，所以其工作环境得到了大大改善。自动化程度高。车I.件从成形、表面精整到最后成品都是由机器自动完成，所需操作人员较少。通用性差，只能生产圆截面的轴类件，需要专门的设备和模具;模具的设计、制造、及生产工艺调整比较复杂，且模具尺寸大。所以，该工艺适合轴类零件的大批量生产，不适合于小批量生产。而且不能轧制大型件，轧制棒料的长度也受到限制。因而pR需进行设计方法的创新与改进，扩大楔横轧的应用范围，充分发挥现有轧机的能力。由于楔横轧工艺的特殊性，工艺参数的选择对于轧件的成形质量至关重要。传统的靠经验试轧的方法不仅设计开发周期长，生产成本也比较高，已经无法满足实际的生产需要。近年来，随着计算机科学的不断发展和有限元技术的日益成熟，以CAE技术等为代表的现代分析手段越来越受人们的重视，并在现实生产中得到广泛的应用。首先选这个模型进行模拟学习，一方面是学习楔横轧的轧制过程，并运用DEFORM-3D进行模拟控制；在此基础上提高运用软件分析问题解决问题的能力。另一方面，通过这次的模拟分析过程，为以后正式论文的发表做准备。2、有限元建模及基础数据2-1、有限元建模参数。毛坯尺寸：100mm、h=90mm轧辊尺寸（两个）：外1032mm.，内900mm，长=120mm，宽=90mm挡板（两个）：宽60mm、长120mm，厚度10mm工艺参数（几何体和工具采用1/2来分析）如下。单位：国际单位制（SI）材料：AISI-10451650-2200F(900-1200)温度：1150考虑热传递，热传递系数为12-2、几何模型的建立这里采用三维有限元模拟软件DEFORM3D模拟在1150温度下的成形过程。轧辊，毛坯和挡板通过Pro/E建立实物模型，使用STL格式导入DEFORM-3D，模型如图1-1所示。中间是轧件，上下分别是上轧辊和下轧辊，轧件左右为左挡板和右挡板。 图1-1轧件及挡板 图1-2轧辊及整体模型2-3、网格划分对于所有的有限元数值计算分析，都是离散的网格通过节点进行力和能量的传递，因此网格的划分是基础。网格划分的最基础的条件是，材料和模具划分网格以后，应该可以充分体现原来的特征。分网时要根据问题本身的特点选择适当的单元类型。根据问题的几何和受力状态的特点，尽可能选用较简单的单元类型。一般来说，采用三角形和四面体单元容易对复杂的区域自动分网，具有很强的适应性，但常应变的三角形单元和四面体单元计算精度低。四边形和六面体单元计算精度三角形和四面体单元高，但是复杂区域难以剖分成全部为四边形或六面体单元，尤其是难以实现全自动剖分。如果可能，尽可能采用四边形和六面体单元。在DE FORM -3D中，如果用其自身带的网络部分程序，只能划分四面体单元。这为了考虑网格重划分时的方便和快捷。网格划分可以控制的密度，使网格的数量进一步减少，有不至于在变形剧烈的部分产生严重的网格畸变。为了提高模拟的质量，网格划分时越多越好。但是这种模拟质量的提高是以大幅度降低计算机模拟的运算速度为代价的。网格划分太大，则模拟精度降低；网格划分太小，模拟准确性上升，但是模拟时间增加，效率下降。所以选择一个合适的网格划分方式和网格划分大小至关重要。楔横轧成形问题属于准静态大变形动力学计算分析问题。图1-3是模拟零件在轧制过程时所划分的初始网格。网格划分为20000网格，节点数4113，网格比率为0.01，运动速度为-20mm/s. 图1-3坯料网格2-4、材料模型的建立 设定毛坯位刚性，毛坯材料AISI-10451650-2200F(900-1200),两轧辊为主动件，上辊速度为-0.419 rad/s旋转中心（0,0,0）,下辊速度为-0.419 rad/s旋转中心（0,1099.49,0）。网格划分为20000网格，网格比率为0.01，运动速度为-20mm/s.。图1-4为楔横轧有限元模型。图1-4有限元模型2-5、其他参数设置（1）模拟控制的步数设置设置模拟步数为80，设置存储增量为5，时间增加量为0.15s.界面如图：图1-5模拟步数设置（2）定义接触关系。设置上（下）轧辊与轧件摩擦系数为2，挡板与轧件摩擦系数为0，自动生成接触关系，如图：图1-6接触关系设置3、计算结果分析3-1、模拟楔横轧过程分别选取每10步作为对象，对楔横轧过程进行观察分析。如图所示：从step1到step50完成预设的模拟过程。 图1-7楔横轧过程3-2、模拟后处理（1）点的追踪。 为了分析楔横轧成形过程中的金属流动，可以采用点追踪的方法，图1-8所示分别为追踪点的初始位置和成形过程中的位置。从图中可以清楚的观察到轧件在成形过程中的金属流动，为进一步分析其规律提高依据。另外，通过追踪点功能还可以得到点在成形过程中的方向应力、最大主应力，方向应变速率、等效应力、温度、位移等参数随变形时间或步数的变化情况。（2）用有限元模拟了在楔横轧变形过程中轧件应力变化情况，轧件原始直径100mm，最终轧件的直径为69.88mm，断面缩减率约为48.5%。为方便分析和掌握轧件的应力变形分布情况，沿截面（-5,505，-5）、（-5，505，-30）、（-5,505，-60）（0,505,90）得到1、2、3、4共四个点。取点的位置如图1-8所示。选取四个点进行追踪如图1-9： 图1-8毛坯上所取的坐标及追踪点的初始位置 图1-9为成形过程中金属流动变化过程3-2、模拟分析（1）力与应变分析 分析图1-10中个曲线的变化可以看出：（1）在轧制开始过程中（0-2s）,轧件所受轧制力基本呈线性上升，说明在开始轧制过程中楔入段波动剧烈；（2）在（2s-5.78s）过程中所受轧制力冲击比较大即轧件变形严重，在整个变形过程中数值上有着一定波动。成形过程主要发生在这个时间段，最大应力发生在2点在2.2s附近；（3）在（5.78-6.3s）过程中4个追踪点都完成了变形过程，图1-10 所取4点应力与时间的关系曲线（2）应力和应变分析应力和应变分析是有限元分析的重要组成部分。观察轧件的应力应变情况可以为分析成形过程中的变形趋势以及缺陷的产生原因等提供参考依据。图1-11为成形过程中轧件的等效应变图。由图上4个追踪点的变化情况可以看出，轧件在楔入段和成形段，其截面个点的应变逐渐增加，直到变形结束，应变直到变形结束保持在最高值不变。这是由于在轧件的整个变形过程中其轴向延伸变形发生在楔入段和变形区，材料在整形段没有轴向变形所致。在分校的四个点处的应变式。1点和2点的应变的变化趋势和应变值都横接近，位于3点的应变变化趋势相似但应变值小于1、2点。而靠近底部的4点变化不明显，图形基本没有大的变化。可见，轧件在横截面上材料的轴向应变有内到外逐渐增加。表面的应变大于内部，图1-11成形过程中轧件的等效应变图 图1-12为轧件横截面上所取四点在轧件上所受剪切应力在楔横轧成形过程中的变化曲线。从图中可以看出：4个点在开始轧制过程中呈线性变化，各点所受应力的大小在楔入段较大，即变形剧烈。在变形区轧件变形区域稳定，变化波动不大，在1点处轧件所受应力较大，在变形过程中特别是在楔入段波动剧烈，在2点处轧件表面所受应力也较大，甚至在某一时刻超出1点的最大应力。而4点处所受应力的大小及变化程度都小于其他3点。图1-12成形过程中剪切应力图 图1-13为轧件在截面上所取四点所受最大主应力在楔横轧成形过程中的变化曲线。从图中可以看出：1点所受最大主应力课达到最大值，变形过程中最大主应力变化波动小。2点和3点在变形过程中变化剧烈，最大主应力变化波动大，在3点的某一时刻达到最小值。4点处所受最大主应力最稳定，变形的整个过程中变形不明显。 图1-13成形过程中轧件的最大主应力图（3）温度分析 在轧制过程中，轧件产生了较大塑性变形，机械功转化为热能，并通过与轧辊的接触进行传热。此外，轧件与空气之间也会发生自由换热。图1-14为成形过程中轧件的温度图。我们可以看到，轧件成形过程中，由于表面与轧辊接触，变形产生能量且变形过程较快，不能及时散热，所以表面温度较高，而内部并不发生巨大变形，温度变化不大，考虑热传递，温度上升较缓慢。从材料的塑性来讲，温度越高金属材料的塑性也就越好。 图1-14成形过程中轧件的温度图图1-15成形过程总4点的温度变化图（4）载荷分析 DEFORM-3D软件可以得到毛坯在变形过程中所施加的载荷的大小，如图1-16所示，横坐标为时间，纵坐标为毛坯X向载荷大小。图中的纵向长直线与载荷曲线的交点为某时间所对应的载荷大小，选择不同的时间时，长直线就会在那个时间上高亮显示，同时显示对应的载荷值。另外，通过鼠标单击曲线上点，对应时间模型的模拟情况也会在模型窗口自动显示。图1-16时间-载荷图图1-17最大率值处载荷4、总结 楔横轧的成形过程研究一直是备受关注的研究课题。楔横轧变形过程的复杂性决定了许多因素影响轧件内部质量，本文介绍了DEFORM-3D分析软件，并使用该软件模拟仿真了楔横轧轧制成形过程。仿真过程包括前处理，求解及后处理等主要环节。文中对所研究问题进行了详细的描述和分析，分别介绍了三维建模、单元类型选取、材料模型确定、网格划分、接触定义、约束、初始条件设定、加载等细节，获取了轧件等效应变图，有限元网格变形图等，结合数据和图片，通过采用点追