基于ABAQUS软件环件冷轧三维有限元仿真建模...

1、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,6,Approximate size=200,Approximate size=1,7,Approximate size=200,Approximate size=1,0.2，0.2,0.2，-0.2,8,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

2、，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=24mm,1. Extrusion：先作出底面形状，再沿轴向拉伸,(1) 输入

3、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,13,2. 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,17,2. Revolution：截面不能封闭,18,3. 创建参考点（用来代替刚体整体）,19,20,2. 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

4、,密度 弹性参数（弹性模量、柏松比） 塑性参数（应力-应变曲线）,23,24,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）,=P/A0,名义应力：,名义应变：,=(L-L0)/L0,真实应力应变,真实应力：,名义应变：,真=P/A=(1+),真=ln(1+),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,s,27,赋予环件性能,28,29,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,31,32,3. 装配,装配各组

5、件 定义集合 定义表面,33,装配各组件,34,1. Translate Instance：指定移动矢量的起始点,35,Translate Instance：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,36,2. Rotate Instance：指定旋转轴及旋转角度,37,2. Rotate Instance：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,39,40,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

6、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,48,4. 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

7、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1,51,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,52,ALE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。,53,ALE自适应网格划分设置,54,ALE自适应网格划分设置,55,ALE自适应网格划分设置,56,场输出定义,场变量输出结果

8、（field output） 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（history output） 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,59,5. 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

9、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

10、数都设置为0.15,64,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

11、辊与环件的接触对,72,定义接触对,73,6. 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（Concentrated Force）： 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

12、,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

13、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

14、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,93,7. 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

15、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

16、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,