有限元模拟中的简化与假设

1.假设条件

斜轧是一个复杂的大变形过程，建模时要尽量考虑多种因素，以便得到比较真实的描述。另外，为便于进行有限元分析计算、减小计算时间和所需硬盘空间，同时保证有较高的精度，保证主要的忽略次要的，在建立模型时做了如下简化与假设：

1）轧辊为刚体。由于轧制总压力不大，轧辊的弹性变形很小可以忽略。

2）轧件为刚塑性。轧制过程中轧件的塑性变形量比弹性变形量大得多，弹性变形对轧制过程影响较小可以忽略。

3）忽略轧辊和轧件之间热传导，以及轧件向空气中散热，认为在轧制过程温度保持不变。

4）轧辊与轧件接触部分为库仑摩擦，其摩擦因数视为常数。

5）轧制时轧件与导板无接触，即轧件与两个轧辊的轧制条件完全对称。

6）轧辊按固定步长转动。在实际轧制过程中，轧件变形是连续进行的。但在有限元计算过程中，迭代过程不可能做到完全连续，轧辊必须按固定的时间步长转动，两步之间的轧件变形不计算。

2.有限元模型的建立

轧辊与轧件的工艺几何参数如图6-3-3所示。

图6-3-3 轧辊与轧件的工艺几何参数示意图

a）轧辊展开图 b）轧辊轴向投影图 c）轧件(www.xing528.com)

有限元数值模拟以钢为材料，故选择轴类零件常用有代表性的45钢为材料模型。轧制温度为1150℃。

Pro/E软件环境下，经二次开发建立斜轧模具与轧件的三维参数化模型。其斜轧单槽阶梯轴的几何模型，如图6-3-4所示。

用ANSYS/Ls-Dyna有限元软件建立了斜轧有限元分析模型，如图6-3-5所示，模拟了斜轧阶梯轴的过程。

斜轧基本单元体轧制过程的有限元模拟主要有三个步骤：

1）前处理。确定轧辊与轧件的工艺参数，输入轧辊模型，生成轧件模型，给定轧辊与轧件的边界条件等。

图6-3-4 斜轧阶梯轴几何模型示意图

1—轧辊 2—轧件

图6-3-5 在ANSYS中建立的零件斜轧有限元模型

2）计算求解。将前处理完成后形成的信息文件模型，经编辑后，在Ls-Dyna求解器中求解。本书内容涉及的模型，其轧辊与轧件的总单元数一般在50000～80000个之间。

3）后处理。求解完成后，再次进入Ansys软件中，利用通用后处理器和时效后处理器就可以得到丰富的结果信息，包括轧件在不同位置，不同时刻的有关信息。