7.5 轧制成形分析应用实例下面几节将以实例的方式来介绍 MARC 中金属轧制成形分析的详细过程。7.5.1 案例说明本案例来自于国内某钢厂的一个热轧项目。其轧制过程如图7.8所示，为双辊对称轧制。图7.8 轧制工艺为了得到板厚比较均匀的轧制成品，该轧制分两道次进行，第一道次压下38mm，第二道次压下17mm，成品厚度为45mm。两道次的主要参数如表7.1所示。材料参数： Q235：可以采用MARC 材料库中的 QSt 32-3,它是Q235种的一种5CrNiMo的材料属性如表7.2所示。表7.1 轧制工艺参数道次轧前厚度(mm)压下量(mm)开轧温度( oC）辊宽(mm)辊径(mm)轧制速度(m/s)板宽(m)材料1 100 38 950 5050 1150 4.0 32 62 17 900 5050 1150 4.0 3辊：5CrNiMo板：Q235表7.2 5CrNiMo的材料属性温度（）弹性模量（Gpa） 比热 导热系数 泊松比密度（Kg/m 3）（ KJ/(KgK)） (W/(mK)-100 217000 371 45.10 213000 451 45.120 212000 461 45.1100 207000 496 45.1200 199000 533 44.1300 192000 568 41.9400 184000 611 39.4500 175000 677 37.9600 164000 778 34.41500 78120 778 34.40.3 7850板和辊之间的摩擦系数为0.3。分析目的为： (1) 分析轧制过程中工件和轧辊的温度分布；轧辊刚度足够，不用考虑其变形(2) 计算轧制力(3) 分析轧制过程中的应力分布情况(4) 分析板厚和板形7.5.2 模型的简化在提出的几个分析目的中，轧制温度和轧制力是可以在二维模型中计算得到的；因此，可以先进行二维的分析；三维应力分布、板厚、板形只能在三维模型中进行查看。由于该轧制过程为两辊可逆轧制，因此，在轧制厚度方向只需要选取一半进行分析即可。轧辊刚度足够，但需要计算轧辊的温度分布，因此，应该把轧辊建立成热传导刚性接触体（Rigid and heat transfer） 。热轧过程，应该进行热-结构耦合分析。7.5.3 第一道次轧制仿真下面将从建立有限元模型开始逐步演示轧制仿真的具体执行过程。(1) 建立几何模型取轧板长度为800mm进行分析。接触时，轧辊与板发生接触，二者不仅存在应力的传递，而且温度也会发生变化；为了比较准确的分析这一过程，同时考虑计算效率的问题，对于轧辊采用非均匀网格的划分形式，即：可能发生接触的区域网格划分较密；其他区域网格可以划得较稀。最后画出的网格效果如图7.9所示。图7.9 有限元网格MAINFILESSAVE ASzhazhi1.MudOKPLOT POINTS SETTINGS：LABELS（ON）CURVES SETTINGSLABELS(ON)MAINMESH GENERATIONPTS ADD：1140.2955 684.1159 2525CURVE TYPEARCS：CENTER/RADIUS/ANGLE/ANGLERETURNCURVE ADD选择point 1575135251CURVE ADD选择point 1575251135 AUTOMESHCURVE DIVISIONSFIXED #DIVISIONS40APPLY CURVE DIVISIONS1 #FIXED #DIVISIONS32APPLY CURVE DIVISIONS2 #RETURN2D PLANAR MESHINGQUADRILATERALS(ADV FRONT)1 2 #SELECTELEMENTS: STOREGUNOKALL: VISIBLERETURNRETURNPTS ADD：152.40573 78.11625 2525952.40573 78.11625 2525CURVE TYPE:LINERETURNCURVE ADD14 15EXPANDTRANSLATIONS0 50 0CURVES3RETURNCONVERTDIVISIONS40 4SURFACES TO ELEMENTSALL: VISIBLESELECTSELECT SETGUNELEMENTS STORE: BANALL: UNSELECTEDCLEAR SELECTRETURNRETURN为使得板与辊接触，可以先设定一个接触刚体与板接触，按照轧制速度（4m/s ）推动板运动，使板咬入；咬入后，该假定的接触刚体撤销，板与辊依靠二者之间的摩擦力进行轧制。因此，建模的时候，需要把该接触刚体建立起来；由于只取1/2进行分析，因此，需要在对称面上设定一个对称刚体。EXPANDTRANSLATIONS0 200 0POINTS14 # (选取板最左下角的那个点)2980 0 0POINTS 14 # (选取板最左下角的那个点)RESET VIEWFILLRETURNSWEEPALLRETURNRENUMBERALLRETURN(2) 定义材料属性板的材料为Q235，可以取MARC 材料库中的QSt 32-3；辊的材料为5CrNiMo，其材料属性需要自己定义。因此，首先需要建立相应的材料数据表。MAINMATERIAL PROPERTIESTABLESNEW1 INDEPENDENT VARIABLENAMECr_ConductTYPETEMPERATUREADD-100 45.10 45.120 45.1100 45.1200 44.1300 41.9400 39.4500 37.9600 34.41500 34.4FITNEW1 INDEPENDENT VARIABLENAMECr_SpecTYPETEMPERATUREADD-100 3710 45120 461100 496200 533300 568400 611500 677600 7781500 778FITRETURNREADQST 32-3ELEMENTS ADD:SELECT SET:banNEWNAMEgun_matHEAT TRANSFERCONDUCTIVITY: 1TABLE: Cr_ConductSPECIFIC HEAT1E6（这里采用的是t-mm-s 的单位制）TABLE: Cr_SpecMASS DENSITY7.85E-9 OKELEMENTS ADDSELECT SETgun (3) 定义接触体及接触表该例中，辊不考虑变形，只计算热，因此定义为rigid and heat transfer;辊与板的接触传热系数为10000W/(m 2.k),与空气的对流换热系数为5 W/(m2.k)；空气温度25MAINCONTACTCONTACT BODIESDEFORMABLEMECHANICAL PROPERTIES:FRICTION COEFFICIENT0.3THERMAL PROPERTIES:HEAT TRANSFER COEFFICIENT5E-3SINK TEMPERATURE25CONTACT HEAT TRANSFER COEFFICIENT100OKELEMENTS ADDSELECT SETbanNAMEbanCOPYNAMEgunRIGID w HEAT TRANSFER这里需要定义辊的旋转MECHANNICIAL PROPERTIESVELOCITYROTATIONAL(RAD/TIME)7.95652ROTATION AXISZ: 1OKCENTER OF ROTAION1140.2955 684.1159 2525ELEMENTS ADDSELECT SET gunNEWNAMEPUSH该接触体为假定推动板与辊咬合的接触体，其运动状态为：板与辊咬合之前，其运动速度为4m/s；板与辊咬合以后，该接触体回退。对于该运动，需要定义一个表格来控制。这里以position的方式来控制刚体的运动。TABLESNEW1 INDEPENDENT VARIABLENAMEmoveTYPETIMEADD0 0 0.1 4000.18 0FITSHOW MODELRETURNRIGIDPOSITIONPARAMETERSX1TABLEmoveOKOKCURVES ADD3 #NEWNAMESYMSYMMETRYOKCURVES ADD4 # 下面需要检查接触刚体的法向是否正确ID CONTACT经检查，接触体SYM的法向反了，需要纠正。FLIP CURVES4 #RETURN下面定义接触表CONTACT TABLESNEWPROPERTIES设定板和辊的接触关系为touching，其接触热传导系数也重新指定一下。1-2CONTACT TYPETOUCHINGMECHANICIAL PROPERTIESFRICTION COEFFICIENT0.3THERMAL PROPERTIESCONTACT HEAT TRANSFER COEFFICIENT100OK将ban和push 以及ban 和sym设为touching的接触关系1-3CONTACT TYPETOUCHING1-4CONTACT TYPETOUCHINGOKRETURNRETURN定义好的接触体应该如图7.10所示。(4) 定义初始条件INITIAL CONDITIONNEWNAMEBAN_INITHERMALTEMPERATURETEMPERATURE950OK图7.10 接触的定义SELECTSELECT SETBanOKMAKE VISIBLENODES ADDALL VISIBLENEWNAMEGUN_INITEMPERATURETEMPERATURE25OKNODES ADDALL INVISIBLESELECTCLEAR SELECTMAKE INVISIBLERETURNRETURN(5) 定义边界条件由于需要考虑塑性变形生成热，因此，需要将该边界条件激活。MAINBOUNDARY CONDITIONSTHERMALPLASTIC HEAT GENERATIONPLASTIC HEAT GENERATION(激活) OKELEMENTS ADDSELECT SET:banRETURNRETURN(6) 定义网格重划分MESH ADAPRIVITYGLOBAL REMESHING CRITERIALADVANCED FRONT QUADADVANCEDstrain changeelement distortionpenetrationOKELEMENT EDGE LENGTHSET: 15REMESH BODYbanRETURNRETURN(7) 定义作业工况MAINLOADCASECOUPLEDQUASI-STATICCONTACTCONTACT TABLEctable1GLOBAL REMESHadapg1OKCONVERGECE TESTINGRESIDUALS OR DISPLACEMENTSOKRELATIVE FORCE TORLERANCE0.1RELATIVE DISPLACEMENT TORLERANCE0.1MAX ERROR IN TEMPERATURE ESTIMATE1MAX TEMPERATURE CHANGE BEFOR REASSEMBLY20OK TOTAL LOADCASE TIME0.35CONSTANT TIME STEPPARAMETERS50OKOKRETURNRETURN(8) 提交分析MAINJOBSCOUPLEDLOADCA