【技術篇】Abaqus雙程軋制仿真

2017-03-23 by:CAE仿真在線來源:互聯網

摘要

熱軋是一種基本的金屬成型技術,它可以將預成型形狀轉變為最終產品或者是適用于進一步加工的形狀,該過程通常包括將受熱的的坯料通過多組成型輥,直到形成所需要的橫截面形狀。材料在熱軋過程中的延展性在該制造方法中十分重要,Abaqus包含了對該過程進行建模仿真所需的全部功能,并已廣泛應用于金屬加工行業,以優化輥道設計。

背景

本文介紹了雙行程軋制仿真過程,它是形成軌道所需多通道操作的一部分,該工藝的開始階段是讓受熱預成型坯料通過一對滾動的成型輥,在軋制過程中,通過噴射冷卻液使其冷卻,確保在通過下一對成型輥之前坯料已經冷卻。通過在多通道軌跡新成型輥上重復該工藝過程來形成所期望的鋼軌橫截面。

有限元分析方法

雙行程軋制過程建模的分析步驟如下:

1.第一軋制行程在Abaqus/Explicit中進行,直到獲得穩定的軋制解。

2.用Abaqus/CAE獲取穩態平面處變形橫截面的二維網格。

3.用Abaqus/Standard中的二維瞬態熱分析來模擬熱軋過程45秒間的冷卻過程。

4.在Abaqus / CAE中生成具有更細網格的橫截面新模型,在第二次熱分析過程中,利用Abaqus/Standard中的子建模功能將步驟3中的冷卻分析所得的溫度結果轉移到新的模型中。

5.基于步驟4中所獲得的橫截面網格和溫度信息,在Abaqus / Explicit中創建用于第二軋制行程的三維網格。

6.在 Abaqus/Explicit中進行第二軋制行程分析,直到獲得穩定的軋制解。

Abaqus的關鍵特點和優點

·通過Abaqus/Standard和 Abaqus/Explicit模塊的結合,可以獲得時間最優解。

·可以實現堅固的機械和熱接觸作用。

·可以實現金屬軋制的批量生產。

·自適應網格劃分。

·當檢測到穩態條件時,自動結束求解。

·利用Abaqus / CAE中的Python腳本,可以基于以前的分析結果構建新模型。

軋輥孔型分析

對于每一個軋輥孔型分析,軋輥都建模成恒溫的分析剛體,而且將模擬軋輥和可變形軌道之間的熱傳遞。由于塑性作用和摩擦接觸效應,在軌道中會生成熱量,因流體冷卻導致軌道熱量損失是對流傳熱的邊界條件,同時包括周圍環境的輻射,因此,這些分析可以采用Abaqus / Explicit中的完全熱應力耦合方法解決。

圖1 變形料和剛性輥

在軋輥孔型分析時,可以采用Abaqus/Explici中自適應網格劃分處理軋軌以保證軋軌變形時的高質量網格,采用質量縮放可以加快求解速度,Abaqus / Explicit對大型金屬軋制件可以進行自動質量縮放,它可以基于軋制過程中的若干參數來選擇最佳縮放系數,為了獲得最大的計算效率,一旦求解達到穩定狀態,分析過程將自動終止,而判斷是否達到穩態的標準是基于剛性輥上的力和扭矩以及橫截面上的延展和塑性應變,一旦平面元素達到了穩態標準,包含這些元素的集合將會自動生成并輸出到數據庫文件中。

熱分析

使用Abaqus / CAE進行軋軌間冷卻分析的網格是從第一次軋制分析的輸出數據庫中提取出來的,通過一個腳本提取穩態元素集中單元前端面上的節點,并將它們投影到平面上以給出所需的網格,該腳本還將第一軋制分析得到的溫度從三維空間映射到二維通道傳熱網格。

一個新的,更細的橫截面網格將用于第二軋制分析,為了映射來自第一次熱傳遞分析的溫度,需要對新的網格進行第二次熱傳遞分析,用于第二次熱傳遞分析的新網格也使用該腳本在Abaqus / CAE中生成,該腳本以第一次熱傳導輸出的數據為輸入量,將其讀入網格,并從網格中生成幾何單元,這個生成的新單元被網格化之后被用于第二次熱傳遞分析,因為新生成的二維網格中的節點位置于用于熱層傳遞分析的網格中的節點位置不同,所以在新網格結點進行溫度差值,為此使用了Abaqus / Standard中的子建模技術進行熱傳遞分析。

通過第二次熱傳遞分析所得的溫度值將會被用作第二次軋制分析的初始溫度值,用于第二軋制分析的輸入文件由用戶根據第二次熱傳遞分析的網格所編寫,和之前一樣,采用腳本方法可以自動完成此過程。第二軋制過程和第一軋制過程運行的方式一樣,而且當達到穩態解時也會自動終止。