Abaqus双程轧制仿真

zhengmai0101

摘要

热轧是一种基本的金属成型技术，它可以将预成型形状转变为最终产品或者是适用于进一步加工的形状，该过程通常包括将受热的的坯料通过多组成型辊，直到形成所需要的横截面形状。材料在热轧过程中的延展性在该制造方法中十分重要，Abaqus包含了对该过程进行建模仿真所需的全部功能，并已广泛应用于金属加工行业，以优化辊道设计。

背景

本文介绍了双行程轧制仿真过程，它是形成轨道所需多通道操作的一部分，该工艺的开始阶段是让受热预成型坯料通过一对滚动的成型辊，在轧制过程中，通过喷射冷却液使其冷却，确保在通过下一对成型辊之前坯料已经冷却。通过在多通道轨迹新成型辊上重复该工艺过程来形成所期望的钢轨横截面。

有限元分析方法

双行程轧制过程建模的分析步骤如下：

1.第一轧制行程在Abaqus/Explicit中进行，直到获得稳定的轧制解。

2.用Abaqus/CAE获取稳态平面处变形横截面的二维网格。

3.用Abaqus/Standard中的二维瞬态热分析来模拟热轧过程45秒间的冷却过程。

4.在Abaqus / CAE中生成具有更细网格的横截面新模型，在第二次热分析过程中，利用Abaqus/Standard中的子建模功能将步骤3中的冷却分析所得的温度结果转移到新的模型中。

5.基于步骤4中所获得的横截面网格和温度信息，在Abaqus / Explicit中创建用于第二轧制行程的三维网格。

6.在 Abaqus/Explicit中进行第二轧制行程分析，直到获得稳定的轧制解。

Abaqus的关键特点和优点

·通过Abaqus/Standard和 Abaqus/Explicit模块的结合，可以获得时间最优解。

·可以实现坚固的机械和热接触作用。

·可以实现金属轧制的批量生产。

·自适应网格划分。

·当检测到稳态条件时，自动结束求解。

·利用Abaqus / CAE中的Python脚本，可以基于以前的分析结果构建新模型。

轧辊孔型分析

对于每一个轧辊孔型分析，轧辊都建模成恒温的分析刚体，而且将模拟轧辊和可变形轨道之间的热传递。由于塑性作用和摩擦接触效应，在轨道中会生成热量，因流体冷却导致轨道热量损失是对流传热的边界条件，同时包括周围环境的辐射，因此，这些分析可以采用Abaqus / Explicit中的完全热应力耦合方法解决。

图1 变形料和刚性辊

在轧辊孔型分析时，可以采用Abaqus/Explici中自适应网格划分处理轧轨以保证轧轨变形时的高质量网格，采用质量缩放可以加快求解速度，Abaqus / Explicit对大型金属轧制件可以进行自动质量缩放,它可以基于轧制过程中的若干参数来选择最佳缩放系数，为了获得最大的计算效率，一旦求解达到稳定状态，分析过程将自动终止，而判断是否达到稳态的标准是基于刚性辊上的力和扭矩以及横截面上的延展和塑性应变，一旦平面元素达到了稳态标准，包含这些元素的集合将会自动生成并输出到数据库文件中。

热分析

使用Abaqus / CAE进行轧轨间冷却分析的网格是从第一次轧制分析的输出数据库中提取出来的，通过一个脚本提取稳态元素集中单元前端面上的节点，并将它们投影到平面上以给出所需的网格，该脚本还将第一轧制分析得到的温度从三维空间映射到二维通道传热网格。

一个新的，更细的横截面网格将用于第二轧制分析，为了映射来自第一次热传递分析的温度，需要对新的网格进行第二次热传递分析，用于第二次热传递分析的新网格也使用该脚本在Abaqus / CAE中生成，该脚本以第一次热传导输出的数据为输入量，将其读入网格，并从网格中生成几何单元，这个生成的新单元被网格化之后被用于第二次热传递分析，因为新生成的二维网格中的节点位置于用于热层传递分析的网格中的节点位置不同，所以在新网格结点进行温度差值，为此使用了Abaqus / Standard中的子建模技术进行热传递分析。

通过第二次热传递分析所得的温度值将会被用作第二次轧制分析的初始温度值，用于第二轧制分析的输入文件由用户根据第二次热传递分析的网格所编写，和之前一样，采用脚本方法可以自动完成此过程。第二轧制过程和第一轧制过程运行的方式一样，而且当达到稳态解时也会自动终止。

图2：未变形坯料横截面网格和第一次轧制过程的刚性辊型材

图3：截面网格和第二次轧制过程的刚性辊型材

结果分析及讨论

当满足用户定义的稳态轧制条件时，第一轧制自动终止，从而减少了分析所需时间，轧轨表面的最大应力位于轧辊接触点的下方，如图4所示。

随着分析的进行，变形接近稳态条件，如果分析结果超出了这个点，当多次通过压辊时，轨道横截面的变形将会重生成，如图5所示，最大的塑性应变发生变形量最大的辊下面。

图4：第一次轧制后坯料Mises应力分布图

图5：第一次轧制后坯料等效塑性应变图

塑性变形会引起发热，如图6所示，峰值温度非常集中，对应于塑性应变中的峰值。

在辊轧之间，原料冷却显着，并且其温度梯度降低，图7显示了用Abaqus / Standard对冷却进行仿真时，热传递分析结束时的温度。

当达到稳态时，第二次轧制过程将会终止，另外，当满足用户定义的稳态条件时，整个网格将不会在辊之间通过。

第二次轧制结束后的Mises应力，等效塑性变形以及温度如图8,9,10所示，这些图显示的特征和第一次轧制过程中类似。

通过采用新的滚轮轮廓重复滚动路径，可以进一步修改轧轨轮廓，考虑到辊轧成型工艺的重复性，该模拟分析过程非常适合自动化，Abaqus公司和Chorus为产品开发了一个完全集成的轧机模拟系统。该系统可以实现本文描述的多个

程的自动化，了解更多的内容，请参考：

www.simulia.com/services/serv_ex_corus.html .

随着6.4版本的发布，该版本包含了一个用于定制Abaqus / CAE GUI界面的工具包，该工具包是Abaqus实现过程自动化的工具之一，它可以允许用户修改和扩展Abaqus / CAE的功能，并且能够使广泛的用户生成更高效的Abaqus算法。

图6：第一次轧制后稳态平面的温度分布图

图7：层间热传递后稳态平面的温度分布图

图8：第二次轧制后的Mises应力分布图

图9：第二次轧制后的坯料的等效塑性应变图

图10：第二次轧制后坯料温度分布图

转自：http://www.101315.com/news/html/?2000.html