安徽工业大学 材料成型专业课《塑性成型计算机模拟》上机实验报告文档格式.docx
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基本原理是将求解未知场变量的连续介质体划分为有限单元,单元由节点连接,每个单元内用差值函数表示场变量,差值函数由节点的对应数值确定,单元之间的作用由节点传递,建立物理方程。
将全部单元的差值函数集合成整体场变量的方程组,进行数值计算。
计算步骤
(1)连续介质的离散化
(2)选择差值函数
(3)进行单元分析
(4)集合成系统方程组
(5)求解方程组
(6)进行参数计算
2.MSC.Autoforge功能简介
MSC.AutoForge是采用90年代最先进有限元网格和求解技术,快速模拟各种冷热锻造、挤压、轧制以及多步锻造等体成型过程的工艺制造专用软件。
它综合了MSC.Marc/MENTAT通用分析软件求解器和前后处理器的精髓,以及全自动二维四边形网格和三维六面体网格自适应和重划分技术,实现对具有高度组合的非线性体成型过程的全自动数值模拟。
其图形界面采用工艺工程师的常用术语,容易理解,便于运用。
MSC.AutoForge提供了大量实用材料数据以供选用,用户也能够自行创建材料数据库备用。
MSC.AutoForge除了可完成全2D或全3D的成型分析外,还可自动将2D分析与3D分析无缝连接,大大提高对先2D后3D的多步加工过程的分析效率。
利用MSC.AutoForge提供的结构分析功能,可对加工后的包含残余应力的工件进行进一步的结构分析,模拟加工产品在后续的运行过程中的性能,有助于改进产品加工工艺或其未来的运行环境。
此外,作为体成型分析的专用软件,MSC.AutoForge为满足特殊用户的二次开发需求,提供了友好的用户开发环境。
MSC.Autoforge分析步骤
(1)前处理。
(2)分析。
(3)后处理。
二、实验条件和要求
1.上机题目
已知参数如下:
轧辊直径:
840mm,辊身长度:
2500mm,转速:
80rpm;
轧件入口厚度:
180mm,宽度:
1800mm,长度:
1000mm;
轧制方式:
纵轧,压下量:
36mm(
20%),
轧件材质:
C22
开轧温度:
1250℃(温度均匀)。
2.要求
用有限元法对轧制过程进行3-D弹塑性力学分析,并给出以下结果:
(1)最终轧制状态图
(2)分析轧件最大宽展量
(mm)并给出稳定轧制时的相对宽展量
;
(3)评估稳定轧制时的单位压力p(MPa);
(4)打印轧制力随时间的变化图,并指出最大轧制压力Pmax(kN)。
三、实验过程
1、有限元分析模型的建立
用鼠标双击桌面AutoForge3.1SP1图标,进入分析系统的主菜单,然后选择三维力学分析。
用鼠标左键点击3-DANALYSIS中按钮MECHANICAL即可。
进行上述操作后即进入三维力学分析的主菜单。
在弹出的窗口中指定自己的工作目录。
1.1模型的几何描述
首先要确定成型系统有几个接触体。
根据题目的性质,变形具有对称性(上下左右均对称),可取轧件横截面的1/4进行分析。
这样,本系统可简化为三个几何体,即轧件(1/4)、上轧辊和推头。
进入分析系统后,当前的整体坐标系为系统默认的坐标系。
可在图形区中见到X、Y、Z的方向。
选定轧制方向为Z方向,宽度方向为X方向,而铅垂方向为Y向。
(1)轧辊的描述
轧辊是一个旋转体,即这类几何体要绕自身轴线旋转。
在MARC(AutoForget)中规定:
旋转轴一定是局部坐标系的
轴。
因此要完成对轧辊的定义,首先要进行局部坐标系
的定义。
局部坐标系由三点确定,即按如下顺序依次输入三个点的整体坐标值:
A.局部坐标系
原点在整体坐标系
中的坐标;
B.局部坐标
轴上一点在整体坐标系中的坐标;
C.局部坐标
轴上一点在整体坐标系中的坐标。
一般情况下,可取
。
于是对本问题有如下三点:
(0,492,0)、(0,493,0)和(-1,492,0)。
点击MESHGENERATION,进入网格生成菜单组,即可进行几何描述和网格划分。
以下是轧辊几何描述的操作步骤:
MESHGENERATION
SET
ALIGN
0,492,0
0,493,0
-1,492,0
RETURN
RVSTYPE
LINE
RETURN
PTSADD
point(420,-1250,0)
point(420,1250,0)
CURVESADD
点击刚生成的两点,生成直线
REVOLVE
CURVES(选中刚生成的直线,再按鼠标右键即生成轧辊曲面)
SET
RESET(返回整体坐标系)
(2)轧件的描述
如前所述,轧件的变形具有对称性,因而可以取轧件横截面的1/4进行分析,如图1(b)所示。
对工件生成有限元网格的方法有多种,本例采用转换(Convert)—扩展(Expand)法来生成。
先在上轧辊正下方生成一个四边形(面),代表轧件的横截面(注意是轧件横截面的1/4,这里不妨取处在第一象限的1/4,如图2所示),然后将此Quad面转换为平面单元,再将这些平面单元向轧制的反方向(Z的负方向)扩展,生成三维实体单元,而这些实体单元就构成了轧件(坯料)。
操作过程如下:
MESHGENERATIION
SURFSTYPE
QUAD
SURFSADD
point(0,0,0)
point(0,90,0)
point(900,90,0)
point(900,0,0)
CONVERT
DIVISIONS
3,20(欲划分的网格密度,宽度方向20、厚度方向3个单元)
SURFACSTOELEMENTS
Surface(选中刚生成的四边形,右键,即生成203个Q4单元)
EXPAND
TRANSLATION
0,0,-20(向轧制反方向每次移动20mm)
REPETITIONS
50(扩展50次使轧件长度达到1000mm)
ELEMENTS
ALL-EXIST
完成上述操作后,即生成了轧件(坯料),共32050=3000个8节点六面体单元)。
去除生成轧件断面的Quad
SRFS
REM(鼠标选中要去除的面,右键)
点击SWEEP-NODES,以除去多余节点。
点击RENUMBER
ALL(进行节点编码优化。
)
刚生成的轧件前端面处在变形区出口截面,必须进行
方向的移动操作,将轧件前端移至变形区入口截面(咬入点位置)。
操作步骤如下:
MOVE
TRANSLATIONS
0,0,-130
ALL-EXIST
0,0,-1130
(3)推头的定义
推头的作用是帮助轧件咬入,仅此而已。
一般通过在轧件后端面处设置一个按预定速度
向前移动的平面来完成。
本例可紧贴轧件尾部定义一个平行于轧件后端面的四边形。
要求该四边形的长和宽(由其四个点的
坐标确定)比轧件的轮廓尺寸大,一般在
正负方向各大一个单元尺寸即可,本例可大10。
SURFSADD
point(-10,-10,-1125)
point(-10,110,-1125)
point(910,110,-1125)
point(910,-10,-1125)
做出推头后,本成型系统所有几何体的描述就完成了。
1.2材料性质定义
前面对几何体进行了描述,也完成了轧件的离散化,生成了单元网格,但轧件是什么材质尚未定义。
本例材料可从MARC材料库中选取,然后将材料性质施加到所有单元上。
操作如下:
(Return到MECHANICAL3-DPREPROCESSIING)
MATERIALPROPERTIES
READ
C22(相当于20#钢)
OK
ELEMENTS-ADD
1.3初始条件定义
本例的初始条件仅为初始温度条件,并视轧件为均匀温度场,操作如下:
INITIALCONDITIIONS
TEMPERATURE
ON
1250
NODES-ADD
1.4边界条件定义
由于我们要完成的是力学分析,而不是热力耦合分析,不必考虑传热问题,故本例的边界条件仅为轧件对称面上的位移边界条件。
定义过程如下:
(Return到MECHANICAL3-DPREPROCESSIING)BOUNDARYCONDITIONS
NEW
NAME
dis_x(在命令操作区键入x方向的位移边界条件名)
FIXDISPLACEMENT
XDISPLACEON
(框选对称面1上的所有节点,再按鼠标右键)
dis_y(在命令操作区键入y方向位移边界条件名)
FIXDISPLACEMENT
YDISPLACEON
NODES-ADD
(框选对称面2上的所有节点,再按鼠标右键)
1.5接触体的定义
本例有3个接触体。
先定义轧件(变形体),后定义工具等其它接触体。
CONTACT
CONTACTDODIES
billet(第1个接触体)
WORKPIECE
ELEMENTS-ADD
roll(第2个接触体)
RIGIDTOOL
(设定轧辊相关参数)
FRICTIONCOEFFICIENT
0.7(摩擦因子)
REFERENCEPOINT
0,492,0(旋转参考点坐标)
ADITIONALPROPERTY
ROTATION(RAD/TIME)
8.3776(由80rpm换算成rad/s)
ROTATIONAXIS
-1,0,0(旋转轴方向余弦)
SURFACES
ADD(选中表示轧辊的圆柱面,右键,即指定轧辊)
push(第3个接触体)
(设推板相关参数)
Z-velocity
1500(此速度按轧件速度估计,一般取轧速的50~70%)
ADD(选中表示推板的平面,右键,即指定推板)
1.6接触表定义
接触表定义所有接触体的相互接触关系,步骤如下:
(RETURN到CONTACT菜单)
CONTACTTABLE
CONTACTTABLEPROPERTY
TOUCHALL
(让轧辊和推头都与轧件接触)
至此,有限元分析模型已经建立。
2、求解分析
2.1定义载荷工况
(Return到MECHANICAL3-DANALYSI)
LOADCASE
QUASI-STATIC
CONTACTTABLE
ctable1OK
CONVERGENCETESTING
relative
displacementOK
TOTALLOADCASETIME
0.432
#STEPS
600
FIXEDTIMESTEPS
2.2定义作业参数
JOBS
JOBPROPERTIES
lcase1
INITIALLOADSOK(边界条件和初始条件都选上)
CONTACTCONTROL
DISTANCETOLERANCE0.25
SHEAR
RELATIVESLIDEVELOCITY5
SEPERATIONFORCE0.1
CONTACTTABLEctable1
JOBRESULTS
FREQUENCY
5
srtess
strain
pl_strain
tepl_strain(Totalequivalentplasticstrain)
von_mises(EquivalentVonMisisstress)
mean_normal(Meannormalstress)
2.3求解运行及过程监控
MAIN
JOBS
RUN
SUBMIT1
MONITOR
当完成Loadcase中规定的Totaltime或Steps后,则分析求解完毕,系统将退出。
正常的退出代码为3004。
若分析中途退出,则为其他代码。
3、后处理
打开结果文件(可以直接打开与模型文件同名的结果文件,文件扩展名为.t16,也可用鼠标左键单击opendefault,打开缺损结果文件),根据所分析问题的要求,确定绘图类型,即选择“路径绘图”还是“历史绘图”。
3.1参数分析
(1)轧制压力随增量步的变化
显然这是历史绘图,过程如下
RESULTS
HISTORYPLOT
COLLECTGLOBLEDATA
NODES/VARIABLES
ADDGLOBLECRV
INCREMENT(作为横坐标)
FORCEYROLL(作为纵坐标,在图形区中已生成轧制压力
变化图,力单位为N。
需要注意的是,图上显示的压力值只是实际轧制压力的1/2)
(2)轧件宽展分析
只要得出轧件边部节点的横向(x方向)位移,便得到轧件的绝对宽展。
显然这是路径绘图,过程如下
(SCAN到最后一步)
PLOT(位于静态菜单栏)
选中NODE
REDRAW(在图像窗口中显示节点,再将图形拖至合适的视角,清楚地显示轧件边部节点,以便于PATHPLOT节点的选择。
PATHPLOT
NODEPATH(在图形界面中选择路径的头尾两个节点)
firstnodeofthepath
secondnodeofthepathOK(按右键确认)
VARIABLES
ADDCURVE
ArcLength(作为横坐标)
DisplacementX(作为纵坐标,在图形区中已生成轧件边部横向位移图,单位为mm)
横向位移量即为绝对宽展量。
通过绝对宽展量不难求出相对宽展量(B/B)。
(3)轧件与轧辊接触应力分析
接触应力即为接触面上的
稳定轧制,在变形区接触面上选择一条横向(宽度方向)节点路径,分析应力
沿该路径的变化,过程如下
NODEPATH
firstnodeofthepath(位于横向对称面上)
secondnodeofthepath(位于轧件边缘)
OK(按右键确认)
ArcLength
Comp22ofStress(在图形区中已生成y沿轧件横向分布图,单位为MPa)
(保存图像见2.5.2)
3.2图像文件的生成
无论是历史绘图还是路径绘图,按上述步骤在图形区中生成的图像并不能直接打印输出,一般要先存为各种不同格式的图形文件,然后通过输出设备打印出来或插入到其它格式的文件中。
生成图形文件的步骤如下:
UTILS(静态菜单区中)
SNAPSHORT
PREDEFINDCOLORMAPS8(图形背景反白)
JPEG1(拟将图形存为JPEG格式的图像文件)
SELECTION区域键入T1(文件名),回车,OK(已在当前目录下将图形存为T1.jpg)
生成的图形可在PHOTOSHOP下编辑。
3.3数据文件的生成
生成图形的数据可以copy出来,生成file.dat或file.txt,然后到Origin下进行处理,生成所需要的图形。
四、实验结果及分析
图
(2)轧制变形状态图
1、轧制力随增量步的变化及分析
图(3)轧制力随增量步的变化
(1)开始要入阶段,轧制力随咬入的进行逐渐增大,原因:
随轧件的咬入变形区长度不断增加金属流动阻力增加,轧制力增加。
(2)进入稳定轧制阶段,轧制力几乎不变.原因:
变形区面积不再变化。
变形区长度
L=
=
=122.96mm
由图可以看出:
一半轧辊所承受的力约为10000KN,轧制力约为20000KN
最大轧制力为
Pmax=2*1.073*(10e7)=21460KN
平均单位轧制压力:
p=P/(L*B)=21460KN/(122.96mm*1800mm)=96.96MPa
(3)轧件抛出尖端,轧制力逐渐减小。
原因:
轧件抛出阶段,摩擦力影响逐渐减小,由于张力的作用,使轧制力逐渐减小。
2、轧件宽展沿纵向的变化及分析(指出绝对宽展和相对宽展)
图(4)轧件宽展沿纵向的变化
分析:
如图所示,轧件沿纵向宽展
先减小后增加。
刚开始要入阶段,摩擦力大,纵向阻力大,纵横阻力比大,金属横向流动容易,宽展大,随着咬入阶段结束,摩擦力减小。
纵横阻力比减小,金属横向流动受阻,宽展逐步减小;
随着轧制的继续进行,变形区长度逐渐增加,纵向阻力增加,金属横向流动容易,宽展增加。
由图,
(1)轧件轧制结束阶段宽展最大
绝对宽展
=2*1.629*10=32.58mm
相对宽展
=32.58/1800*100%=1.81%
(2)轧件稳定轧制阶段的平均宽展约为2.37*2=4.74mm
=4.74mm
=4.74mm/1800*100%=0.26%
3、单位压力沿轧件横向分布情况
图(5)稳定状态下单位压力沿轧件横向分布
分析:
轧制过程中由于轧辊的弹性变形,轧辊边部的变形较中部的大,所以轧辊边部的压下大,则轧辊作用在轧件边部的轧制力就较大,中部的轧制压力相对较小。