有限元参数模拟

金属成型过程数值模拟上机实验报告(指导教师：沈晓辉老师)姓名：陈伟健学号：129024074班级：型123班上机实验时间：6月15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123机位号10姓名：陈伟健学号：129024074指导教师：李胜祗、沈晓辉、王世宏、白丽杨、毛艳侠、张宁、胡伟、杨文凯等实验名称：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2015年6月15号14:00~18:00报告完成日期：2015年6月18号上机实验地点：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1.1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（ΔH/H=20%），轧件材质：C22开轧温度：1250℃（温度均匀）。1.2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ΔB(mm)并给出稳定轧制时的相对宽展量ΔB/B×％；（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、上机步骤3.1文件操作在开机后，进入分析系统前，先在D盘下建立自己的子目录。子目录名必须为自己的学号如你的学号为029014145，则子目录名为029014145。建立的方法是在桌面上用鼠标左键双击“我的电脑”，进入D盘根目录，按鼠标右键，从弹出的菜单中选择“新建”—“建立文件夹”，建立新文件夹，然后将“新建文件夹”改为自己的子目录名（学号）。3.2进入分析系统用鼠标双击AutoForge3.1SP1，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。用鼠标左键点击静态菜单中FILES按钮，再点击动态菜单中currentdirectory，在弹出的菜单中选择进入自己建立的文件夹。3..3前处理3.3.1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，横向为X方向，而铅垂方向为Y向(1)轧辊的描述轧辊是一个转动体，即这类几何体要绕自身轴线旋转。在MARC中规定：旋转轴一定是局部坐标系的yˆ轴。因此要完成对轧辊的定义，首先要进行局部坐标系o-xyz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o-xyz原点在整体坐标系0-xyz中的坐标；B.局部坐标x轴上一点在整体坐标系中的坐标；C.局部坐标y轴上一点在整体坐标系中的坐标。一般情况下，可取x=y=1。于是对本问题有如下三点：（0，492，0）、（0，493，0）和（-1，492，0）。点击MESHGENERATION，进入网格生成子菜单，即可进行几何描述。以下是轧辊几何描述的操作步骤：MESHGENERATIONSETALIGN0.492,00,493,0定义局部坐标系-1,492,0RETURNCURVSTYPELINERETURNCURVSADDpoint(420,-1250,0)point(420,1250,0)REVOLVECURVES(选中刚生成的直线，再按鼠标右键即生成轧辊曲面)4,20（欲划分的网格密度，宽度方向20、厚度方向4个单元）SURFACSTOELEMENTSSurface（选中刚生成的四边形，即生成204个Q4单元）EXPANDTRANSLATION0,0,-20（向轧制反方向每次移动20mm）REPETITIONS50（扩展50次使轧件长度达到1000mm）ELEMENTSALL-EXIST完成上述操作后，即生成了轧件（坯料），共4×20×50=4000个8节点六面体单元）。点击SWEEP-NODES，以除去多余节点。点击RENUMBER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z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）。移动的距离即为变形区长度。操作步骤如下：MESHGENERATIONMOVETRANSLATIONS0,0,-2ELEMENTSALL-EXIST（可根据情况进行多次点击，直到将轧件前端移到所希望的位置，或者先粗移后微移。也可按计算出变形区长度将轧件一次性移到指定位置）(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Vz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yx、坐标确定）比轧件的轮廓尺寸大，一般在yx、正负方向各大一个单元尺寸即可，本例可大10。该平面的纵向位置由坐标z确定，而z可通过显示轧件尾部节点获得，即在MESHGENERATION菜单下点击NODES-SHOW，再点轧件后端面任意节点，便可在命令操作区中见到所选节点的坐标值。做出推头后，本成型系统所有几何体的描述就完成了。3.3.2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：MAINMATERIALPROPERTIESREADC22（相当于20#钢）RETURNELEMENTS-ADDALL-EXISTRETURN3.3.3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：MAININITIALCONDITIIONSTHERMALTEMPERATUREONTEMPERATURE1250OKRETURNNODES-ADDALL-EXISTRETURN3.3.4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：MAINBOUNDARYCONDITIONSMECHANICALNEWNAMEdis_x（在命令操作区键入x方向的位移边界条件名）FIXDISPLACEMENTXDISPLACEONOKNODES-ADD（用BOX法选中对称面1上的所有节点，再按鼠标右键）NEWNAMEdis_y（在命令操作区键入y方向位移边界条件名）FIXDISPLACEMENTYDISPLACEONOKNODES-ADD（用BOX法选中对称面2上的所有节点，再按鼠标右键）3.3.5接触体的定义本例有3个接触体。先定义轧件，后定义工具等其它接触体。MAINCONTACTNEWNAMEbillet（第1个接触体）WORKPIECEELEMENTS-ADDALL-EXISTNEWNAMEroll（第2个接触体）RIGIDTOOLFRICTIONCOEFFICIENT0.7（摩擦因子）REFERENCEPOINT0,492,0（旋转参考点坐标）ADITIONALPROPERTYROTATION（RAD/TIME）8.3776（由80rpm换算成rad/s）ROTATIONAXIS-1,0,0（旋转轴方向余弦）OKNEWNAMEpush（第3个接触体）RIGIDTOOLADITIONALPROPERTYZ-velocity1500（此速度按轧件速度估计，一般取轧速的50~70%）OKRETURN3.3.6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：MAINCONTACTCONTACTTABLENEWCONTACTPROPERTY（让轧辊和推头都与轧件接触）RETURN至此，有限元分析模型已经建立3.4求解分析3.4.1定义载荷工况MAINLOADCASECONTACTTABLEctable1OKCONVERGENCETESTINGrelativedisplacementOKTOTALLOADCASETIME0.412#STEPS600FIXEDTIMESTEPSOK3.4.2定义作业参数MAINJOBSJOBPROPERTIESlcase1INITIALLOADSOKCONTACTCONTROLDISTANCETOLERANCE0.25SHEARDOUBLESIDERELATIVESLIDEVELOCITY5SEPERATIONFORCE0.1CONTACTTABLEctable1OKJOBPARAMETERSRESTARTWRITERESTARTDATAINCREMENTFREQUENCY100OKOKJOBRESULTSFREQUENCY5srtessstrainel_strainpl_strainTotalequivalentplasticstrainEquivalentVonMisisstressMeannormalstressOKOK3.4.3求解运行及过程监控MAINJOBSRUNSUBMIT1MONITOR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。3.5，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”。3.5.1参数分析（1）轧制压力随增量步的变化显然这是历史绘图，过程如下RESULTSHISTORYPLOTCOLLECTGLOBLEDATANODES/VARIABLESADDGLOBLECRVINCREMENTFORCEYROLL（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