CN108108582A - 一种曲面件柔性轧制成形过程的数值模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种曲面件柔性轧制成形过程的数值模拟方法，包括以下步骤：获取轧辊和板料的材料属性参数；确定轧辊、板料和控制单元的几何参数；利用三维绘图软件，建立轧辊、板料及控制单元的几何模型；获取曲面件柔性轧制成形的工艺参数；建立有限元分析模型；进行曲面件轧制成形的仿真分析；验证有限元模型的正确性。本发明的方法中将轧辊设为弹性体，耦合了轧辊的弹性变形与板料的弹塑性变形；增设控制单元以控制轧辊的辊型，并在轧辊的端面设置运动耦合约束实现了轧辊绕其弯曲轴线的转动。本发明反映了成形装置的真实结构，能够准确地模拟曲面件轧制成形过程，具有较好的精度和效率，可为设计和优化曲面件柔性轧制成形工艺提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及计算机辅助工程领域，尤其涉及一种基于弯曲轧辊的曲面件柔性轧制成形过程的数值模拟方法。
背景技术
三维曲面件在航空航天、高速列车、舰船、民用建筑等行业有着广泛的应用，随着经济的快速发展，市场对曲面件的需求日益增多。曲面件柔性轧制成形是一种用于曲面零件生产的柔性加工方法，该方法将多点成形技术与传统轧制技术相结合，实现了曲面件成形过程的高效性和连续性。与传统的模具冲压成形曲面件相比，这种方法采用两个柔性可弯曲的轧辊作为成形工具，结构简单可靠；通过控制单元调整轧辊的形状与位置可以灵活地变换辊缝，适应性强，生产周期短，可实现多种类和多规格三维曲面件的快速成形。
随着科技的发展，计算机辅助工程(CAE)技术在新产品开发、产品成形性评估、生产工艺的设计与优化、成形设备分析等方面得到越来越广泛的应用。CAE技术的成功运用不仅能够减少试验次数，降低生产成本，而且有利于将数值模拟方法与实验方法结合起来，从而推动相关工艺的发展。三维曲面件柔性轧制成形工艺是一个复杂的大变形过程，包括几何非线性，材料非线性以及接触的非线性等强非线性耦合问题，还包括轧辊的弹性变形与板料弹塑性变形的耦合问题。因此建立一个精确的数值模拟方法用于预测和分析曲面件轧制成形过程非常重要。
现有的数值模拟方法是用若干个离散的直辊代替弯曲轧辊的方法建立的模型，这些离散的直辊都被设置成刚性壳体，并且每个直辊都绕其各自的直线轴旋转。相邻两个直辊之间会存在一定的间隙以保证轧辊旋转时互不干涉。这种模拟方法虽然能够近似模拟曲面件的轧制成形过程，但是以离散直辊代替连续弯曲辊的建模方式改变了轧辊与板料原有的连续接触状态，得到的成形件表面质量较差。尽管加大轧辊的离散化程度会一定程度的改善成形件的表面质量，但实际模拟效果仍不理想，尤其在轧辊的弯曲程度较大时，相邻直辊间的间隙会影响三维曲面件的成形，严重时会造成形状缺陷。而且加大轧辊的离散化程度会增加建模的难度，增加计算量，明显延长模拟分析时间，降低分析效率。此外，这种方法忽略了实际轧制过程中成形装置中控制单元对轧辊的作用，也未考虑轧辊的弹性变形对板料成形的影响，其模拟精度较差。因此，需要找到一个更精确的数值模拟方法，用于模拟曲面件柔性轧制成形过程。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提出了一种曲面件柔性轧制成形过程的数值模拟方法，所述曲面件柔性轧制成形过程是指上、下轧辊在工作时，都呈弯曲状态，其辊型分别由上、下控制单元控制，两个弯曲的轧辊构成不均匀的辊缝；在上、下弯曲轧辊的夹持作用下，板料从不均匀辊缝间连续通过并被轧制减薄，产生了横、纵向弯曲变形，从而成形出曲面件。所述方法包括如下步骤：
(1)获取轧辊和板料的材料属性参数；
(2)确定轧辊、板料和控制单元的几何参数；
(3)利用三维绘图软件，分别建立轧辊、板料及控制单元的几何模型；
(4)获取曲面件柔性轧制成形的工艺参数；
(5)将步骤(3)中建好的几何模型导入到有限元软件中，根据步骤(1)中的材料属性参数定义轧辊与板料的材料特性，设置部件之间的相互作用，设置分析步，把步骤(4)的轧制工艺参数设为边界条件和载荷，划分网格，建立曲面轧制过程有限元模型；
(6)通过步骤(5)得到的有限元模型，模拟曲面件柔性轧制成形过程；
(7)查看和分析成形曲面件的模拟结果，计算模型的动能与内能的能量比值，验证有限元模型的正确性。
本发明中，所述步骤(1)中获取轧辊和板料的材料属性包括：轧辊的密度与弹性模量参数；板料的密度，弹性参数以及塑性参数。
本发明中，所述步骤(2)中确定轧辊、板料和控制单元的几何参数包括：上轧辊的直径和长度；下轧辊的直径和长度；板料的几何尺寸；上、下控制单元的尺寸。
本发明中，所述步骤(3)根据步骤(2)中轧辊、板料和控制单元的几何参数，利用三维制图软件建立：上、下轧辊的几何模型；板料的几何模型；上、下控制单元的几何模型。其中，所建立的几何模型包括整体的三维几何模型或对于结构、边界条件和载荷具有对称性的条件下，建立的二分之一模型。
本发明中，所述步骤(4)中获取曲面件柔性轧制成形的工艺参数包括：上轧辊的弯曲轴线，下轧辊的弯曲轴线，板料的最大减薄率(量),上轧辊的转动角速度，下轧辊的转动角速度。
本发明中，所述曲面件包括凸形曲面件，也包括鞍形曲面件。
本发明中，所述上、下轧辊的弯曲轴线类型包括：抛物线型曲线，圆弧型曲线，高次函数型曲线等规则曲线或各种不规则曲线中的一种。
本发明中，所述步骤(5)包括：将步骤(3)中建好的几何模型导入到有限元软件中，根据步骤(1)中的材料属性参数定义轧辊与板料的材料特性，设置部件之间的相互作用，设置分析步，把步骤(4)的轧制工艺参数设为边界条件和载荷，划分网格，建立曲面件轧制过程有限元模型。
本发明中，所述步骤(5)中的有限元软件采用ABAQUS软件实施。
本发明中，所述步骤(6)包括：通过步骤(5)得到的有限元模型，模拟曲面件柔性轧制成形过程，得到所设置轧制工艺参数下的曲面件轧制成形的数值模拟结果。
本发明中，所述步骤(6)中采用ABAQUS/Explicit求解器模块模拟曲面件轧制成形过程。
本发明中，所述步骤(7)通过查看和分析成形件的模拟结果，计算模型的动能与内能的能量比值，验证有限元模型的正确性。
本发明所达到的有益效果：1、本发明的数值模拟方法基于柔性轧制成形装置特点，采用连续弯曲的实体轧辊作为成形工具，设置了控制轧辊形状的控制单元，实现了轧辊绕其自身弯曲轴线的转动，并利用三维绘图软件与ABAQUS软件相结合建模，保证了模型的准确性和可靠性。此外，将轧辊的弹性变形与板料的弹塑性变形耦合在一起，与现有技术相比，这更符合实际情况。该方法简便易行，成本低，并且具有较高的精度和效率。
下面选择08AL低碳钢材料以凸形曲面件的轧制成形为例，说明本发明的具体实施。
附图说明
图1为一种曲面件轧制成形过程的数值模拟方法的流程图；
图2为本发明实施例板料所用材料08AL低碳钢的真实应力-塑性应变曲线；
图3为本发明实施例控制单元横截面的几何尺寸图；
图4为本发明实施例完整的三维几何模型图；
图5为本发明实施例网格划分后的有限元模型图；
图6为图5中A处的放大图；
图7为本发明实施例轧制模拟结束后曲面件的等效应力分布图；
图8为本发明实施例轧制模拟结束后曲面件的等效塑性应变分布图；
图9为本发明实施例模型能量的历史比值；
图10示出了一种现有的曲面件轧制成形数值模拟方法中的几何模型图。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步详细说明本发明，需要注意的是，附图及下述实施方式仅用于本发明的说明，而非限制本发明。
针对现有的曲面件柔性轧制成形过程的模型模拟精度不高，模拟效果差的问题，本发明提供了一种曲面件柔性轧制成形过程的数值模拟方法，其流程图如图1所示。包括如下步骤：
步骤(1)：轧辊和板料材料属性参数见表1。此外，参照GBT228-2002金属材料拉伸试样国家标准，通过制备标准拉伸试样，并在材料试验机上进行室温下的单向拉伸试验，获取板料的塑性参数。对于大变形过程，ABAQUS软件中以真实应力和塑性应变定义板料的塑性。08AL低碳钢材料的板材的标准试样通过单向拉伸试验获得的位移-载荷曲线转变为工程应力应变曲线,然后应用公式将获得的名义应力σnom和名义应变εnom数据转换为真实应力σT和真实应变εT，其中真实应变与名义应变的关系为εT＝ln(1+εnom)，真实应力与名义应力的关系为σT＝σnom(1+εnom)。真实应变包括弹性应变εel和塑性应变εpl，所以塑性应变εpl可表示为
其中E为板料的弹性模量，见表1。08AL低碳钢真实应力与塑性应变曲线如图2所示。
表1轧辊和板料的材料属性参数
步骤(2)：板料的长度、宽度和厚度分别为200mm，120mm和1.5mm；上轧辊的直径为10mm，长度为100mm，下轧辊的直径为10mm，长度为100mm；控制单元的长度为10mm，相邻两个控制单元间隔长度为5mm(板料，轧辊以及控制单元的尺寸根据轧制生产过程的实际情况所确定，以此为例，但不限于此)。
步骤(3)：根据步骤(2)中轧辊、板料和控制单元的几何参数，利用三维绘图软件UG(Unigraphics NX)，绘制板料截断面的草图，使用拉伸功能获得板料的三维几何模型；
其次，绘制出上、下轧辊的弯曲轴线(半径分别为765mm和800mm的圆弧型曲线，曲线长度即轧辊长度为100mm)和轧辊的横截面(垂直于弯曲辊轴线，直径为10mm的圆)，使用扫掠功能，将轧辊的横截面分别沿上、下轧辊的弯曲轴线扫掠，获得上、下轧辊的三维几何模型；
最后，绘制出控制单元的横截面，图3是上控制单元横截面的几何尺寸图，其开口向下。下控制单元的横截面的几何尺寸与其相同，但开口向上。将上、下控制单元的横截面分别沿上、下轧辊的弯曲轴线扫掠，分别得到上、下控制单元的整体模型，然后再利用分割体功能，获得上、下控制单元的几何模型。分割后的模型中上、下控制单元各有13个，单元长度为10mm，相邻单元间隔5mm(上述三维制图软件例如可以是UG软件，但本发明不限于此，任何可建立分析对象的三维几何模型的制图软件均可适用)。
本发明实施例中，所述建立的轧辊，板料，控制单元的几何模型都采用整体的三维几何模型。
步骤(4)：上轧辊的弯曲轴线采用圆弧型曲线，其半径765mm。下轧辊的弯曲轴线为圆弧型曲线，其半径800mm。因此，上、下轧辊之间构成的辊缝是不均匀的，中间的辊缝小，端部辊缝大。板料中间的变形量最大，其最大减薄率设为10％(最大减薄量等于板料厚度与最大减薄率的乘积，为0.15mm)，上、下轧辊的转动角速度为30rad/s。
步骤(5)：将步骤(3)中建好的几何模型导入到ABAQUS有限元软件中，根据步骤(1)中的材料属性参数定义轧辊与板料的材料特性，设置部件之间的相互作用，设置分析步，把步骤(4)的轧制工艺参数设为边界条件和载荷，划分网格，建立曲面件轧制过程的有限元模型。
其中，将三维绘图软件UG中建立的轧辊、控制单元和板料的几何模型转化为IGES文件格式，利用ABAQUS软件的imports输入接口，实现模型的导入，整体的三维几何模型如图4所示。上、下轧辊设为弹性体，上、下控制单元设为解析刚体，板料设为弹塑性变形体。控制单元以及上、下轧辊都设有参考点，并在参考点上设有局部坐标系。
定义材料特性包括：设置上、下轧辊的密度和弹性模量和泊松比以定义轧辊弹性体的材料属性；设置板料的密度、弹性模量、泊松比和塑性参数定义板料弹塑性体的材料属性；控制单元为解析刚体，不需要定义材料特性。
设置部件之间的相互作用包括：控制单元与轧辊之间摩擦类型设为库伦摩擦，摩擦系数设为0.05，接触关系是面与面接触，控制单元内面为主面，轧辊外表面为从面；轧辊与板料之间摩擦类型为库伦摩擦，摩擦系数取0.2，接触关系为面与面接触，上、下轧辊外表面为主面，分别将上、下轧辊对应的板料的上、下面设为从面(上轧辊的对应的从面是板料上表面，下轧辊对应的从面是板料的下表面)；同时上、下轧辊两端面分别设置运动耦合约束，保留轧辊的周向旋转自由度，约束其它方向的自由度，以实现轧辊绕其弯曲轴线的转动。
设置分析步，把步骤(4)影响成形的轧制工艺参数设为边界条件和载荷：分析类型设为显式动力学分析，同时考虑几何非线性行为。整个分析过程分为两步：
第一步即下压分析步，下轧辊保持不动，上轧辊压下使得板料产生一定的减薄量，实现板料的咬入以便顺利进入第二步，并通过调整最大减薄量来实现板料纵向弯曲程度的控制。下压分析步的时间为0.1s，上轧辊下压速度为36.5mm/s，下压距离3.65mm。
第二步即轧制分析步，上、下轧辊同时旋转，上、下轧辊的转动角速度大小为30rad/s，方向相反。板料连续通过不均匀辊缝并产生了横、纵向的弯曲变形。分析步中轧制的时间可以通过板料长度与轧制速度计算，轧制时间为1.34s。
图5是本发明实施例网格划分后的有限元模型图。图中，轧辊与板料的单元类型都采用C3D8R(八结点线性,减缩积分,沙漏控制六面体)单元。这种类型单元对位移的求解结果较准确，并能很好地克服沙漏现象。为了节约时间和计算成本，将上、下控制单元都设置为R3D4(四结点三维双线性刚性四边形)刚体单元，在小变形假设下，可以理想的忽略它们的变形。为了清楚的显示各部件网格划分后的细节，图5中A处的网格划分后的有限元模型局部放大如图6所示。
步骤(6)：采用ABAQUS/Explicit求解器模块模拟曲面件轧制成形过程,通过步骤(5)得到的有限元模型，提交分析作业，完成曲面件轧制成形的数值模拟，得到曲面件轧制成形的数值模拟结果。
步骤(7)：为了验证模型的准确性，查看和分析了板料轧制结束后的模拟结果。图7是本发明实施例板料轧制结束时等效应力分布图，图中板料中间的应力值大于边部的应力。图8是本发明实施例的板料轧制结束时等效塑性应变分布图，从图中可以看出，凸形曲面件轧制成形时板料中间的塑性变形大，边部变形小而且相邻区域之间的等效塑性应变平滑过渡，没有明显的突变，表明柔性轧制成形过程的模拟结果是准确的。
此外，为了进一步验证有限元模型的正确性，输出了模型的动能、内能和伪应变能的能量历程，计算模型的动能与内能的能量比值，如图9所示，从图中可以看出成形初始的较短时间内由于成形的不稳定性，导致KE/IE(变形体动能与内能的历史比值)较大，而之后在模拟过程中的大部分时间内KE/IE都较小(小于0.1％)，可以认为板料的变形是在准静态下发生的。同时AE/IE(伪应变能与内能的历史比值)在整个模拟过程中都小于5％，说明不存在严重的沙漏，计算模型中采用的网格精度是足够的，表明所建立的有限元模型是准确的。
图10是现有的曲面件柔性轧制成形的有限元模型图，图中上、下轧辊分别被30个离散的刚性壳体直辊代替，每个直辊长度为4mm，直径为10mm。分别采用本发明的数值模拟方法和现有的离散刚性辊的数值模拟方法对曲面件柔性轧制成形过程进行数值模拟，分析了曲面件的横、纵向弯曲半径及相对半径偏差，并将其模拟结果与相同工艺参数下的柔性轧制成形实验结果进行对比，发现采用本发明的数值模拟方法预测成形实验件的偏差小于现有的模型的偏差，获得的模拟结果与成形试验结果最接近。曲面件横向的成形精度提高了7％-12.8％,纵向上的成形精度提高了8％-13.2％。
由于本发明采用连续的实体轧辊，并利用轧辊形状单元控制轧辊的弯曲辊型，实现轧辊绕其自身弯曲轴线的转动。该模型比现有的数值模拟方法更符合实际轧制成形装置的特点。轧辊设为变形体，并赋予其弹性参数，轧辊的弹性变形与板料的弹塑性变形耦合在一起，更贴合实际柔性轧制成形过程。所以本发明的数值模拟方法更适用于模拟曲面件柔性轧制成形过程，使用本方法所得到的模拟结果可为设计和优化曲面件柔性轧制成形工艺提供参考。
上文参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在权利要求书的范围内，对本发明的具体实施方式可作形式和细节上的各种各样变化。
Claims (9)
1.一种曲面件柔性轧制成形过程的数值模拟方法，所述曲面件柔性轧制成形过程是指上、下轧辊在工作时，都呈弯曲状态，其辊型分别由上、下控制单元控制，两个弯曲的轧辊构成不均匀的辊缝；在上、下弯曲轧辊的夹持作用下，板料从不均匀辊缝间连续通过并被轧制减薄，产生了横、纵向弯曲变形，从而成形出曲面件，所述方法包括：
(1)获取轧辊和板料的材料属性参数，包括：轧辊的密度与弹性参数，板料的密度、弹性参数以及塑性参数；
(2)确定轧辊、板料和控制单元的几何参数，包括：上轧辊的直径和长度，下轧辊的直径和长度；板料的尺寸；上、下控制单元的尺寸；
(3)根据步骤(2)中轧辊、板料和控制单元的几何参数，利用三维绘图软件，分别建立上、下轧辊、板料及上、下控制单元的几何模型；
(4)获取曲面件柔性轧制成形的工艺参数，包括：上轧辊的弯曲轴线，下轧辊的弯曲轴线，板料的最大减薄率,上轧辊的转动角速度，下轧辊的转动角速度；
(5)将步骤(3)中建好的几何模型导入到有限元软件中，根据步骤(1)中的材料属性参数定义轧辊与板料的材料特性，设置部件之间的相互作用，设置分析步骤，把步骤(4)的轧制工艺参数设为边界条件和载荷，划分网格，建立曲面件轧制过程有限元模型；
(6)通过步骤(5)得到的有限元模型，进行曲面件柔性轧制成形过程的仿真分析；
(7)查看和分析成形件的模拟结果，计算模型的动能与内能的能量比值，验证有限元模型的正确性。
2.根据权利要求1所述的一种曲面件柔性轧制成形过程的数值模拟方法，所述几何模型包括整体的三维几何模型，或对于结构、边界条件及载荷具有对称性的条件下，建立的二分之一模型。
3.根据权利要求1所述的一种曲面件柔性轧制成形过程的数值模拟方法，所述曲面件包括凸形曲面件，也包括鞍形曲面件。
4.根据权利要求1所述的一种曲面件柔性轧制成形过程的数值模拟方法，所述上、下轧辊的弯曲轴线类型包括：抛物线型曲线，圆弧型曲线，高次函数型曲线规则曲线或各种不规则曲线中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种曲面件柔性轧制成形过程的数值模拟方法，所述步骤(5)包括：将步骤(3)中建好的几何模型导入到有限元软件中，根据步骤(1)中的材料属性参数定义轧辊与板料的材料特性，设置部件之间的相互作用，设置分析步，把步骤(4)的轧制工艺参数设为边界条件和载荷，划分网格，建立曲面件轧制过程有限元模型。
6.根据权利要求1所述的一种曲面件柔性轧制成形过程的数值模拟方法，所述步骤(5)中的有限元软件采用ABAQUS软件实施。
7.根据权利要求1所述的一种曲面件柔性轧制成形过程的数值模拟方法，所述步骤(6)包括：通过步骤(5)得到的有限元模型，模拟曲面件柔性轧制成形过程，得到曲面件轧制成形的数值模拟结果。
8.根据权利要求1所述的一种曲面件柔性轧制成形过程的数值模拟方法，其所述步骤(6)中采用ABAQUS/Explicit求解器模块模拟曲面件轧制成形过程。
9.根据权利要求1所述的一种曲面件柔性轧制成形过程的数值模拟方法，所述步骤(7)通过查看和分析成形件的模拟结果，计算模型的动能与内能的能量比值，验证有限元模型的正确性。
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