基于ABAQUS软件环件冷轧三维有限元仿真建模分析

1基于ABAQUS软件环件轧制三维有限元建模仿真分析2一、三维建模--前处理二、模拟分析--后处理3一、三维建模构建部件定义材料性能装配定义分析步定义接触定义载荷和边界定义网格建立任务4构建部件环件--变形体轧辊--刚体驱动辊芯辊导向辊5环件6Approximatesize=200Approximatesize=17Approximatesize=200Approximatesize=10.2，0.20.2，-0.28形状简单的刚体部件，采用解析刚体，减小计算代价；形状复杂的刚体部件，采用离散刚体解析刚体仅用于建立壳或曲线，不能模拟任何形状的物体，当模拟简单的刚体使用时，为接触分析提供刚性表面。

解析刚体不需要划分网格；离散刚体必须划分网格解析刚体只输出和参考节点相关的结果（反作用力等），对于接触问题如果要查看接触力、接触压力、切向滑移等结果，只能查看从动面上的结果；离散刚体可以输出上述接触力、接触压力、切向滑移等结果对于离散刚体，要在发生接触的部位划分足够细的网格；以保证不出现大的尖角，而解析刚体则不需要解析刚体（Analytical）与离散刚体（Discrete)9环件外径=68mm,内径=48mm，高度=24mm1.Extrusion：先作出底面形状，再沿轴向拉伸(1)输入圆心点10(2)输入圆心直径一点坐标11(3)同上操作，作外圆12(4)沿轴向拉伸输入拉伸高度132.Revolution：先作出截面形状，再绕轴线旋转(1)作出方形截面：输入对角两点坐标14(2)绕轴线旋转360°15轧辊（刚体）1.Extrusion：圆弧不能超过180°16

4段90°圆弧组成圆，再拉伸172.Revolution：截面不能封闭183.创建参考点（用来代替刚体整体）19202.定义材料性能定义材料性能参数赋予环件性能定义刚体质量和转动惯量21定义材料性能参数(1)创建材料22(2)定义材料性能密度弹性参数（弹性模量、柏松比）塑性参数（应力-应变曲线）2324真实应力塑性应变25名义应力应变与真实应力应变名义应力应变（工程应力应变）σ=P/A0

名义应力：名义应变：ε=(L-L0)/L0

真实应力应变真实应力：名义应变：σ真=P/A=σ(1+ε)ε真=ln(1+ε)塑性应变塑性应变=真实应变-弹性应变26初始值必须为0材料屈服强度σs27赋予环件性能2829定义刚体质量和转动惯量具有平动自由度和转动自由度的刚体既要定义质量又要定义转动惯量--芯辊具有转动自由度的刚体只定义转动惯量—驱动辊30转动惯量质量31323.装配

装配各组件定义集合定义表面33装配各组件341.TranslateInstance：指定移动矢量的起始点35TranslateInstance：指定移动矢量的起点、终点

（可以在窗口中选取，也可直接输入点的坐标）起点终点362.RotateInstance：指定旋转轴及旋转角度372.RotateInstance：指定旋转轴及旋转角度起点选取两点，确定一个旋转轴38装配过程中可能需要查询某些点的坐标3940定义集合定义的集合实际上是边界和载荷的赋予对象，所以解析刚体可以直接选择其参考点为集合，而环件则需将选取对象设定为“cells”后，将整个环件都选上41定义解析刚体集合选中刚体的参考点，中键确认42定义环件集合43定义集合44定义表面定义的平面是为了后续步骤中赋予接触面属性，在定义刚体的表面时，会要你选择是内表面还是外表面，并会有不同的颜色加以区分，需根据具体情况选择；定义环件表面时，可以将环件全部表面选上，或者是一个一个选择并定义45定义解析刚体表面因为和环件接触的是外表面，所以这里选择棕色46定义环件表面按住“shift”，就可选择多个表面47定义环件表面484.定义分析步

设置分析步

ALE网格自适应划分设置场输出定义49设置分析步由于环件径向轧制是个动态冷轧过程，一般可理想的认为是恒温条件，因此分析步类型选择“动态，显示”50设置分析步提示：在静态分析中，如果模型中不包含阻尼或与速率相关的材料性质，“时间”就没有实际的物理意义，可以默认为151设置分析步缩放因子的大小直接决定了计算时长，取值越大，则计算耗时越短，但计算精度也会降低，因此必须合适选择52ALE自适应网格划分设置和Deform软件在计算时一样，ABAQUS在计算时，同样会自行对网格重划分，这样有利于得到更精确的结果，也能很好的解决计算结果不收敛的问题。53ALE自适应网格划分设置54ALE自适应网格划分设置55ALE自适应网格划分设置56场输出定义场变量输出结果（fieldoutput）

这些变量的输出结果来自于整个模型或模型的大部分区域，被写入数据库的频率相对较低，用来在后处理模块中生成云纹图、变形位移图、矢量图和XY图历史变量输出结果（historyoutput）

这些变量的输出结果来自于模型的一小部分区域，被写入输出数据库的频率相对较高，用来在后处理模块中生成XY图57场变量输出结果这里的间隔数目可根据需要来设置，同样输出变量也可按情况选择，这些设置不会影响计算精度，但会影响最后odb文件的大小58历史变量输出结果595.定义接触定义接触特性定义接触对在ABAQUS中，即使两个实体之间或一个装配件的两个区域之间在空间位置上是互相接触的，ABAQUS/CAE也不会自动认为它们之间存在着接触关系，所以必须在Interaction模块中的主菜单Interaction来定义这种接触关系。而相互作用与分析步有关，必须规定相互作用是在哪些分析步中起作用。60定义接触特性一般来说，需要创建两种相互作用特性：一种是环件与导向辊的相互作用，为光滑接触；一种是环件与芯辊、驱动辊的接触，为非光滑接触。61定义导向辊与环件的接触属性导向辊和环件的接触可理想认为是光滑的，所以这里设定为“Frictionless”62定义导向辊与环件的接触属性63定义芯辊、驱动辊与环件的接触属性芯辊，驱动辊与环件的接触摩擦系数都设置为0.1564定义芯辊、驱动辊与环件的接触属性65定义接触特性66定义接触对定义导向辊与环件的接触对因为各辊和环件都是表面接触，所以这里类型选择“面-面接触”67定义导向辊与环件的接触对接下来要选择接触的主面和从面，解析刚体的面或由刚性单元构成的面必须作为主面，从面则必须为柔体上的面。在模拟过程中，接触方向总是主面的法线方向，从面上的节点不会穿越主面，但主面上的节点可以穿越从面。68定义导向辊与环件的接触对右下角显示出装配模块中定义的表面69定义导向辊与环件的接触对选择接触属性70定义芯辊、驱动辊与环件的接触对选取相应表面71定义芯辊、驱动辊与环件的接触对72定义接触对736.定义载荷和边界

定义载荷条件定义边界条件74定义载荷条件常用的载荷类型有：集中力（ConcentratedForce）：

施加在节点或几何实体顶点上的集中力，表示为力在三个方向上的分量。弯矩（Moment）：

施加在节点或几何实体顶点上的弯矩。压力（Pressure）：单位面积载荷吸引力（Gravity）：

以固定方向施加在整个模型上的均匀加速度，例如重力。75定义边界条件环件轧制建模时，通常采用边界条件，而不是载荷条件来定义各轧辊的运动定义驱动辊、芯辊的边界条件定义导向辊的边界条件76定义驱动辊、芯辊的边界条件环件轧制过程中，驱动辊匀速转动，芯辊匀速进给，也就是说它们都只用赋予一个边界条件。驱动辊的转速直接由角速度定义，所以这里类型选择“速度/角速度”77定义驱动辊、芯辊的边界条件显示出前面定义的集合，选择相应的集合从装配图中可以看到，驱动辊是绕Y轴旋转的，因此这里不勾选VR2，也就是说不限定该自由度。78定义驱动辊、芯辊的边界条件双击此处79定义驱动辊、芯辊的边界条件可以看到，前面勾选的自由度此处都默认为0，也就是说，限制了部件的这些自由度。勾选VR2，并输入转速值80定义驱动辊、芯辊的边界条件芯辊的边界条件定义和驱动辊类似，只是限定的自由度不同81定义导向辊的边界条件导向辊的边界条件定义方法和驱动辊、芯辊不同，因为导向辊的运动控制方式是位移控制，而且从装配图中看，导向辊的运动可以分解到x、z方向上，所以要额外的建立两个边界条件。82定义导向辊的边界条件此处类型为“位移/旋转”83定义导向辊的边界条件X、Z方向平移自由度都不限制84定义导向辊的边界条件额外建立两个边界条件分析步设定为“rolling”85定义导向辊的边界条件由于导向辊的运动是由两个方向上的位移来控制的，所以不是一个瞬时值，也不是一个常量，因此勾选U1并输入常数1后，还要点击下方“Create”，来建立一个幅值，并将导向辊的位移导入。86定义导向辊的边界条件87定义导向辊的边界条件选择刚建立的幅值88定义导向辊的边界条件导向辊z方向边界条件也是同样的方法定义89定义边界条件90定义温度场有些时候，可能需要为某些部件赋予初始温度，这个时候就要预定义温度场。一旦定义了温度场，那么分析步的类型还有材料的性能参数都必须改变，还要额外设置一些接触属性和边界条件。环件径向轧制模拟可省去此步91定义温度场赋予环件初始温度92定义温度场赋予环件初始温度937.定义网格网格划分方法设置全局种子设置边上的种子网格类型

单元形状

网格划分技术

划分网格的算法定义单元类型94网格划分方法

设置全局种子输入单元尺寸95网格划分方法

设置全局种子96网格划分方法

设置边上的种子设定边上的单元数目97网格划分方法

设置边上的种子设定边上的单元数目98网格划分方法

设置边上的种子设定边上的单元大小99网格划分方法

设置边上的种子设定边上的单元大小100网格划分方法

设置边上的种子提示：在设置边上的种子时，在输入单元数目或大小之前，可以点击窗口右下角的Constraints按钮，在弹出的对话框中，有以下三种选择。边上的种子无约束：即网格划分时，边上的节点数目可以超出或少于种子的数目101网格划分方法

设置边上的种子边上的种子受部分约束：即划分网格时，节点的数目可以超出种子的数目，但不能少于种子的数目102网格划分方法

设置边上的种子边上的种子受完全约束：即划分网格时，节点的位置与种子的位置严格吻合103网格类型

单元形状104网格类型

单元形状Hex：网格中完全使用六面体单元。Hex-dominated：网格中主要使用六面体单元，但在过渡区域允许出现楔形（三棱柱）单元。Tet：网格中完全使用四面体单元。Wedge：网格中完全使用楔形单元。105网格类型

网格划分技术106网格类型

网格划分技术，常用的有以下几类Structured（结构化网格）：一般应用于一些简单的几何区域，采用该技术的区域显示为绿色Sweep（扫掠网格）：首先在面上生成网格，然后沿扫掠路径拉伸，得到三维网格。采用该技术的区域显示为黄色。Free（自由网格）：最灵活的网格划分技术，几乎可以用于任意的几何形状。采用该技术的区域显示为粉色。107网格类型

划分网格的算法108网格类型

划分网格的算法1.Medial

Axis算法：该算法首先把要划分网格的区域分为一些简单的区域，然后使用结构化网格划分技术来为这些简单的区域划分网格。勾选Minimizethemeshtransition可以提高网格的质量。2.AdvancingFont算法：该算法首先在边界上生成四边形网格，然后再向区域内扩展。该算法更容易得到单元大小均匀的网格。1091107.定义网格采用设置全局种子，六面体单元类型，扫掠网格和Medial

Axis算法对环件进行网格划分1118.建立任务1128.建立任务113局部坐标系建立三点法确定原点确定X轴及其方向确定XY平面以及Y轴正方向114局部坐标系建立坐标轴补偿法选择一个参考坐标轴输入一个从参考坐标轴出发的补偿向量直接选取一个点来建立坐标系115局部坐标系建立两线法选取一根直线来做X轴再选取一根直线来确定XY平面注：选取的两线必须相交，建立的坐标系各轴的方向是随机的116网格局部划分遇到形状较为复杂的部件或者需要针对部件的某个局部进行更精确的分析的时候，就需要将部件分割成不同的部分，并单独为各个部分划分更为合适的网格。这里将介绍几种比较常用且方便的分割方法。117网格局部划分定义切割平面先确定平面上的一点，再确定法向量三点确定一个平面先确定平面法向量，再确定平面上的一点118网格局部划分定义切割平面（先点后向量）119网格局部划分定义切割平面（三点）120网格局部划分定义切割平面（先向量后点）注意：此时选取的点必须在该棱上选取一条棱作为向量121网格局部划分用参考平面分割122网格局部划分通过棱的拉伸或者扫掠指定拉伸方向，一般用于沿着直线的切割指定扫掠方向，一般用于沿着曲线的切割123网格局部划分通过棱的拉伸或者扫掠如果拉伸或扫掠方向不对，可以点击“Flip”改变方向分割完后，部件的颜色会改变，这是因为ABAQUS会默认指定划分后的部件网格划分方式，但是如果出现左图的颜色的话则说明ABAQUS不能为该部件划分网格，必须采用别的分割方式124建立热力耦合模型当建立热轧或者其他需要设置温度的模型的时候，建模过程中就必须额外设置或者修改一些参数环境参数的设置材料参数修改更改分析步类型增设接触条件增设边界条件修改网格划分单元类型125建立热力耦合模型环境参数的设置设置绝对零度和玻尔兹曼常量126建立热力耦合模型材料参数修改热传导率、杨氏模量、延伸率都勾上“采用依温度而定的数据”127建立热力耦合模型材料参数修改屈服应力、比热都勾上“采