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DOC.docx
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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DOC
金属成型过程数值模拟
上机实验报告
（指导教师：
李胜祗老师）
姓名：
金杰灵
学号：
109024445
班级：
型102
上机实验时间：
6月13日
金属成型过程数值模拟
上机实验报告
专业：
材料成型与控制工程班级：
型102
姓名：
金杰灵学号：
109024445
指导教师：
李胜祗、沈晓辉、万锋、邓世峰、汪甜甜、吕丹丹、白丽杨等实验名称：
中厚板二辊粗轧第一道轧制过程数值模拟仿真
上机实验时间：
第一次2013年6月11日8：
00~11：
30
第二次2013年6月13日14：
30~18：
00
第三次2013年6月14日19：
00~22：
00
报告完成日期：
2013年6月15日
上机实验地点：
材料科学与工程学院计算机仿真实验室
金属塑性成型数值模拟系统：
硬件配置DELL3.0GCPU/2.0GRAM
软件系统MSC.Autoforge3.1
一、实验原理
1.金属成型过程有限元分析的基本思想
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
中厚板二辊粗轧第一道轧制过程数值模拟仿真
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
RETURN
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：
MESHGENERATION
MOVE
TRANSLATIONS
0,0,-130
ELEMENTS
ALL-EXIST
MESHGENERATION
MOVE
TRANSLATIONS
0,0,-1130
ELEMENTS
ALL-EXIST
（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
ALL-EXIST
RETURN
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：
（Return到MECHANICAL3-DPREPROCESSIING）
INITIALCONDITIIONS
TEMPERATURE
ON
TEMPERATURE
1250
OK
RETURN
NODES-ADD
ALL-EXIST
RETURN
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
OK
NODES-ADD
（框选对称面1上的所有节点，再按鼠标右键）
NEW
NAME
dis_y（在命令操作区键入y方向位移边界条件名）
FIXDISPLACEMENT
YDISPLACEON
OK
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。
（Return到MECHANICAL3-DPREPROCESSIING）
CONTACT
CONTACTDODIES
NEW
NAME
billet（第1个接触体）
WORKPIECE
OK
ELEMENTS-ADD
ALL-EXIST
NEW
NAME
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）
OK
SURFACES
ADD（选中表示轧辊的圆柱面，右键，即指定轧辊）
NEW
NAME
push（第3个接触体）
RIGIDTOOL
（设推板相关参数）
ADITIONALPROPERTY
Z-velocity
1500（此速度按轧件速度估计，一般取轧速的50~70%）
OK
SURFACES
ADD（选中表示推板的平面，右键，即指定推板）
RETURN
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
NEW
CONTACTTABLEPROPERTY
TOUCHALL
（让轧辊和推头都与轧件接触）
OK
RETURN
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
OK
2.2定义作业参数
（Return到MECHANICAL3-DANALYSI）
JOBS
JOBPROPERTIES
lcase1
INITIALLOADSOK（边界条件和初始条件都选上）
CONTACTCONTROL
DISTANCETOLERANCE0.25
SHEAR
RELATIVESLIDEVELOCITY5
SEPERATIONFORCE0.1
CONTACTTABLEctable1
OK
JOBRESULTS
FREQUENCY
5
srtess
strain
pl_strain
tepl_strain（Totalequivalentplasticstrain）
von_mises（EquivalentVonMisisstress）
mean_normal（Meannormalstress）
OK
OK
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
RESULTS
（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
RESULTS
PATHPLOT
NODEPATH
firstnodeofthepath（位于横向对称面上）
secondnodeofthepath（位于轧件边缘）
OK（按右键确认）
VARIABLES
ADDCURVE
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
绝对宽展
=4.74mm
相对宽展
=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。
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