有限元数值模拟的基本概念与技术

1.有限元数值模拟意义

准确掌握楔横轧轧件上每一点的应力、应变与金属的流动有重要意义，因为它是认识和解决楔横轧中零件成形规律、缺陷发生原因、轧制力能参数等的基础。

用有限元数值模拟方法研究楔横轧问题，开始于20世纪90年代末和21世纪初的英国、美国与中国等。模拟研究重点内容之一是对楔横轧进行有限元数值模拟，并与轧制实验、光塑性实验相结合，研究、分析和解决楔横轧中的成形规律与零件质量等问题。本节内容是在这项工作基础上完成的。

2.有限元数值模拟模型

选用ANSYS/LS-DYNA3D有限元软件计算应力应变场，轧件采用8节点六面体实体单元，弹塑性的材料模型。另一个是DEFORM3D，轧件采用4节点四面体实体单元，刚塑性的材料模型。

楔横轧轧制运动几何模型，是按图6-2-3所示建立的。模具与轧件的工艺几何参数如图6-2-4所示。有限元数值模拟与轧制实验以钢为材料，故选择轴类零件常用有代表性的45钢为材料模型。

在建立模型时作了如下简化与假设：由于轧制总压力不大，忽略轧辊的弹性变形与模具局部压扁变形；忽略轧制时轧件与模具、空气接触时的热传导与交换，认为轧件在轧制时温度保持恒定；模具与轧件接触部分为库仑摩擦，其摩擦因数视为常数；轧制时轧件与导板无接触，即轧件与两个模具的轧制条件完全对称；为对称轧制，模具与轧件可取一半进行计算等。

Pro/E软件环境下，经二次开发建立楔横轧模具与轧件的三维参数化模型。其典型楔横轧的几何模型，如图6-2-5所示。(www.xing528.com)

图6-2-3 典型楔横轧制主侧视图

1—轧辊 2—轧件

图6-2-4 模具与轧件工艺几何参数图

用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立楔横轧三维非线性有限元分析模型，如图6-2-6所示，模拟了楔横轧的全过程，包括楔入段、展宽段和精整段。