Abaqus中材料模型对带钢拉矫过程仿真计算的影响分析VIP

1 Abaqus 中材料模型对带钢拉矫过程仿真计算的影响分析 傅玉勇 陈敏 重庆赛迪冶炼装备系统集成工程技术研究中心有限公司重庆 401122 摘要摘要 带钢拉矫时延伸率是通过施加的张力和压下量来获得的 在工程设计中 延伸率的计算精度决定了相关工艺参数 的合理选取 利用有限元软件来对拉矫过程进行仿真不失为一种有效的方式 而带钢材料的机械性能参数对延伸率仿真结果 有较大的影响 本文通过比较了不同材料模型和强化准则下延伸率仿真结果与实验结果的差异 得出了在仅已知材料屈服强 度 强度极限和伸长率等参数的条件下 通过对材料的塑性段进行适当线性简化 并采用等向强化准则 isotropic 其计 算结果与实验结果更加接近 关键词 拉矫 延伸率 材料模型 线性强化 等向强化 Effect of the material model on steel strip s elongation during tension levelling in Abaqus Fu Yuyong Chen Min CISDI R D Co Ltd Chongqing 401122 Abstract This paper introduces that steel strip s elongation is determined by tension and intermesh and the accuracy of elongation calculating determines the value of tension It is an effective way that the process simulation of tension levelling is carried out in Abaqus but the parameters of material model has a direct effect on the result of elongation The linear isotropic hardening brings a better consistency of testing results with the simulating ones Keywords tension levelling elongation material model linear hardening isotropic 1 1 前言前言 带钢拉矫时的延伸率计算可采用解析计 算和仿真计算两种方法 采用解析计算时 带钢弯曲半径的计算目前还没有非常有效的 计算方法 因而会影响延伸率的计算精度 而采用有限元计算也不失为一种有效的方式 尽管会受到计算效率的影响 但其结果比较 接近实际 因而在工程设计计算中也经常被 采用 在两种计算方法中 除了拉矫张力 拉矫机几何位置及主要结构参数外 材料模 型也都是计算必须输入的参数 本文利用 Abaqus 有限元分析软件 通过比较不同的材 料模型在相同几何模型和边界条件下的计算 结果 并结合实验结果来分析有限元计算中 材料模型对拉矫过程延伸率的影响 2 2 带钢拉矫过程仿真带钢拉矫过程仿真建模及建模及分析分析 1 2 2 12 1 材料模型材料模型 本文中材料模型的原始参数均来自厚度为 1 8mm SPHC 热轧带钢的拉伸实验数据 基于篇幅 考虑 没有给出详细的拉伸曲线数据 仅给出了 其拉伸曲线图 如图 1 所示 表 1 为 1 8mm 带钢 进行拉伸实验后获得的主要机械性能参数 基于 所得的材料拉伸实验数据 构建了两种用于有限 元分析的材料模型 第一种为线性强化模型 即 双线性模型 第二种为对带钢实际拉伸曲线的 塑性段先进行指数拟合再离散处理后获得接近 实际拉伸曲线的真实材料模型 如表 3 所示 2 图 1 1 8mm SPHC 热轧带钢的拉伸曲线 图 2 线性强化材料模型 表 1 1 8mmSPHC 带钢的机械性能 屈服强度 MPa 强度极限 MPa 伸长率 259 54 372 70 0 3724 表 2 线性强化模型参数 名义应力 MPa 名义应变 真实应力 MPa 塑性应变 259 54 0 001236 259 86 0 372 70 0 3724 511 49 0 3141 表 3 真实材料模型参数 序号 真实应力 MPa 塑性应变 序号 真实应力 MPa 塑性应变 1 259 86 0 14 433 67 0 173567 2 283 92 0 045532 15 440 78 0 18355 3 305 17 0 056816 16 447 57 0 193436 4 323 82 0 067984 17 454 08 0 203225 5 340 30 0 079037 18 460 36 0 212919 6 354 96 0 089977 19 466 43 0 222521 7 368 09 0 100804 20 472 34 0 232032 8 379 95 0 111519 21 478 10 0 241454 9 390 73 0 122125 22 483 73 0 250787 10 400 61 0 132623 23 489 26 0 260034 11 409 73 0 143015 24 494 69 0 269197 12 418 22 0 153301 25 500 04 0 278276 13 426 17 0 163485 26 505 32 0 287274 线性强化材料模型采用如下方法获得 根据 拉伸实验获得的屈服强度 强度极限 以及伸 长率 构建如图 2 所示的双线性材料模型 进 而获得用于有限元分析的线性强化材料模型参 数 如表 2 所示 在 Abaqus 中材料模块的选项中 罗列出如 表 4 所示的 5 种可选的材料强化准则 表 4 材料模型及强化准则分类 材料模型 Abaqus 中对应的强化准则 线性强化模型 随动强化 kinematic 等向强化 isotropic 真实材料模型 等向强化 isotropic 混合稳态强化 combined stablized 混合半周强化 combined half cycle 2 22 2 仿真模型仿真模型 由于带钢的拉矫过程可以看成是一个准静 态过程 因此选用 Abaqus Standard 来进行仿真 计算 仿真模型为三辊式 其几何结构参数如图 3 所示 辊径 40mm 辊距 70mm 图 4 为搭建的仿 真模型 在模型的左端施加入口张力 F 右端施加 向右的位移载荷 1 和 3 工作辊始终保持位置不 变 在 2 工作辊上施加竖直方向所需的压下量 使得带钢在相同作用下获得不同的弯曲效果 带 钢厚度方向网格划分层数为 20 层 可保证可靠 的收敛结果 单元类型为 CPE4R 为了便于比较和节约分析时间 对于表 4 中 的材料模型及强化准则的如何选取问题 在同一 种工况下进行了试算 其中入口侧带钢上施加的 单位张力为 69 45MPa 2 工作辊压下量为 20 5mm 在不同材料模型及强化准则下延伸率计算结果 如下表 5 所示 其中延伸率按 NE Max Principal 读取 根据所得的计算结果 真实材料模型在选 用混合稳态强化 combined stablized 和混合 半周强化 combined half cycle 选项时所得 3 结果明显比其他 3 种选项的结果偏小 因而在后 续分析中 混合稳态强化 combined stablized 和混合半周强化 combined half cycle 选项 在仿真分析时就不予考虑 仅对线性随动强化 kinematic 和线性等向强化 isotropic 以 及真实等向强化 isotropic 所构建的材料模 型进行延伸率的比较计算 图 3 三辊式拉矫装置几何结构参数 图 4 三辊式拉矫装置仿真模型 2 32 3 仿真结果及分析仿真结果及分析 针对 1 8mmSPHC 带钢 在仿真模型的入口侧 施加 97 22MPa 的单位张力 2 辊的上施加不同 的压下量 计算结果如表 6 所示 同时在该表中 还给出了 1 8mm 带钢在对应张力和压下量时的实 验结果 表 5 相同工况下的延伸率仿真结果 材料模型 线性强化模型 真实材料模型 Abaqus 中 强化准则 kinematic isotropic isotropic combined stablized combined half cycle 延伸率 2 97 3 22 3 10 1 67 2 52 将表 6 中的延伸率实验结果分别与不同材料 模型和强化准则下的延伸率仿真结果相除 得到 表 7 所示的比值 根据表 7 的结果可知 对于带 钢的拉矫过程的延伸率仿真计算 无论是线性强 化材料模型还是真实材料模型 当选取 Abaqus 材料模块中的各向同性 isotropic 强化准则 时 其计算结果与实验结果都比较接近 而采用 采用真实材料模型的仿真结果与实验结果吻合 度更好 表 6 不同压下量条件下的延伸率仿真结果 序 号 压下 量 mm 延伸率 线性强化模型 真实材料模型 实验 结果 kinematic isotropic isotropic 1 30 0 5 918 7 29 6 98 8 21 2 27 0 5 368 6 49 6 23 5 99 3 24 0 4 864 5 77 5 55 5 22 14 5 2 919 3 30 3 28 3 10 11 0 1 871 2 05 2 09 2 13 表 7 结果比较 序号 线性强化模型 真实材料模型 kinematic isotropic isotropic 1 1 386 1 125 1 176 2 1 115 0 923 0 961 3 1 074 0 905 0 941 4 1 061 0 938 0 944 5 1 139 1 043 1 019 3 3 结语结语 对于带钢拉矫过程的一般性仿真分析而言 建模所需的真实材料性能参数不可能都很方便 地通过拉伸实验来获得 这是由于有时所需带钢 的获取不是那么便利 而更容易获得的材料参数 往往来自材料手册所提供的诸如屈服强度 强度 极限以及伸长率等参数 通过上述仿真计算结果 与实验结果的比较可知 利用 Abaqus 有限元分 析软件对带钢的拉矫过程的延伸率进行仿真计 算 为了获得更精确的计算结果 可以在材料屈 服强度 强度极限以及伸长率等基本性能参数确 定的情况下 对上述参数进行双线性简化 并且 在 Abaqus 材 料 模块 中 选 取 各 向 同 性 强 化