CN110705146B - 基于ansys-apdl语言的考虑张力载荷的大方坯连轧变形预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于ANSYS‑APDL语言的考虑张力载荷的大方坯连轧变形预测方法，基于ANSYS APDL语言建立单道次几何模型；基于ANSYS APDL语言确定材料和划分网格；基于ANSYS APDL语言确定张力载荷及其他边界条件；基于ANSYS APDL语言确定求解时间及其他选项并求解；基于ANSYS APDL语言对结果进行处理。与经验公式法相比，可更接近大方坯轧制时实际载荷条件，获得更准确的大方坯横截面尺寸。与建立连轧模型相比，采用单道次模型可减少建模单元数量，缩短计算时间。与采用有限元软件界面进行操作相比，采用APDL语言建立的宏命令可通过改变参数重复同一类问题的建模，省时高效。
Description
技术领域
本发明涉及大方坯连轧变形预测技术领域，特别是指一种基于ANSYS-APDL语言的考虑张力载荷的大方坯连轧变形预测方法。
背景技术
近年来，为了生产高品质特钢棒线材产品，有的特钢企业开始采用大断面方坯，通过九道次连轧开坯方式进行大压下率轧制，以改善组织，提高钢材质量。大方坯开坯机组采用的是连轧方式，从理想的稳定轧制来说应使各机架的“秒流量”相等，以实现无张力轧制。但是，在实际轧制过程中，影响机架间张力变化的工艺参数很多，如变形量、温度变化、轧制力矩、轧制速度等，不可能做到绝对无张力轧制。为了保证产品尺寸精度，提高轧制产品质量，目前通常采用微张力控制的方法。大方坯的连轧机组采用电机转矩记忆法，通过轧制时测量的电机转矩间接获得张力值。
张力作为大方坯开轧轧制重要的工艺参数，对轧制时的宽展变形和轧制力都有重要影响，在进行轧制工艺设计时需要考虑张力载荷。一个方法是采用经验公式预估每道次的张力载荷，对宽展公式进行修正，但是仅能获得轧件每个道次的平均宽展，计算精度低。另外一个方法是采用有限元法，针对连轧过程建立多道次连轧三维计算模型，通过轧辊施加不同的转动速度来给轧件施加张力载荷，往往计算模型单元数量庞大，计算耗时多。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于ANSYS-APDL语言的考虑张力载荷的大方坯连轧变形预测方法,以解决现有方法计算精度低，计算模型单元数量庞大及计算耗时的问题；通过ANSYS有限元软件的参数化设计语言APDL，输入当前机架的孔型数据、轧辊速度、现场实测的机架间张力等工艺设备参数，就可以建立一种考虑张力载荷的单道次轧制三维计算模型来预测大方坯在连轧时的宽展变形。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于ANSYS-APDL语言的考虑张力载荷的大方坯连轧变形预测方法，该大方坯连轧变形预测方法包括以下步骤：
步骤一、基于ANSYS APDL语言建立单道次轧制几何模型；
步骤二、基于ANSYS APDL语言确定轧件和轧辊的材料并分别对轧件和轧辊进行网格划分；
步骤三、基于ANSYS APDL语言确定轧件张力载荷和轧辊转速载荷；
步骤四、基于ANSYS APDL语言确定求解时间、结果输出频率及文件格式，保存几何模型后进行求解；
步骤五、基于ANSYS APDL语言对求解结果进行处理，获得轧件应力应变分布及变形量。
进一步地，所述步骤一包括：
使用APDL语言对本道次孔型参数及轧制工艺参数分别进行定义和赋值；
使用APDL语言中K命令，用孔型关键点坐标生成孔型关键点，用LSTR命令将孔型关键点连成线，用LFILLT生成孔型圆角，用AROTAT命令将孔型曲线围绕轧辊中心线旋转生成轧辊面；
使用*IF语句判断当前道次是否是连轧第一道次；
若当前道次是连轧第一道次，则对轧件尺寸参数进行定义，使用APDL语言中K命令，用轧件关键点坐标生成轧件关键点，用LSTR命令将轧件关键点连成线，用LFILLT生成轧件圆角，用AL命令将封闭的线段围成面，用AGEN命令将轧件端面拉伸成三维实体；
若当前道次不是连轧第一道次，则提取前一道次的几何模型计算结果作为当前道次的几何模型。
进一步地，所述孔型参数包括：槽口宽度W1、槽底宽度W2、孔型深度DE，孔型内圆弧半径R1、孔型外圆弧半径R2及轧辊直径DI。
进一步地，所述轧制工艺参数包括：辊缝尺寸GAP和轧辊转速RAD。
进一步地，所述轧件尺寸参数包括：轧件宽PLW，轧件高PLH，轧件圆角半径PLR及轧件长度PLL。
进一步地，所述步骤二包括：
使用APDL语言中MP命令，定义轧件和轧辊的材料，其中轧件为塑性材料，使用应变率相关的材料模型，应力应变数据为实测材料数据，轧辊为刚性材料；
使用APDL语言中ET命令，定义轧件和轧辊的单元类型，其中轧件单元类型为SOLID164，轧辊单元类型为SHELL163；
使用APDL语言中LESIZE命令，分别对轧件和轧辊的每个边定义网格尺寸，再使用VMESH和AMESH命令分别对轧件和轧辊进行网格划分。
进一步地，所述步骤三包括：
使用*IF语句判断当前道次是否是连轧第一道次；
若当前道次不是连轧第一道次，则使用APDL语言对当前道次与前一道次之间的张力值T1赋值；使用APDL语言NSEL命令选中轧件尾部端面的节点，用CM命令建立名为TAIL的节点集，用EDLOAD命令施加后张力载荷T1；
若当前道次是连轧第一道次，则后张力载荷T1＝0；
使用*IF语句判断当前道次是否是连轧最后一道次；
若当前道次不是连轧最后一道次，则使用APDL语言对当前道次与后一道次之间的张力值T2赋值；使用APDL语言NSEL命令选中轧件头部端面的节点，用CM命令建立名为HEAD的节点集，用EDLOAD命令施加前张力载荷T2；
若当前道次是连轧最后一道次，则前张力载荷T2＝0；
使用APDL语言EDLOAD命令为轧辊施加转速载荷RAD；
使用APDL语言定义轧辊与轧件间的接触。
进一步地，所述步骤五包括：
使用APDL语言WP命令定义工作平面，PLNSOL命令获得轧件中心截面处的应力分布及应变分布图，*VWRITE命令将本道次关键位置的应力、应变、宽展量和延伸量输出到数据文件中，用于对比不同工艺条件对轧件变形的影响。
进一步地，在步骤一中，针对大方坯连轧过程的每个道次分别建立单道次的几何模型，其输入参数为本道次轧件和轧辊孔型几何尺寸。
进一步地，在步骤一中，根据轧辊与轧件几何形状与载荷的对称性，建立四分之一模型。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
与现有技术相比，本发明通过ANSYS APDL语言建立的考虑张力载荷的单道次大方坯轧制三维计算模型，不仅精度高，而且降低了建模的复杂性和计算量，每次计算时仅需按现场孔型尺寸和工艺参数为某些变量赋值，就可以利用此模型高效的预测大方坯在连轧时的宽展变形。
附图说明
图1为本发明实施例的基于ANSYS-APDL语言的考虑张力载荷的大方坯连轧变形预测方法的流程示意图；
图2为本发明实施例的施加前张力载荷后的第一道次有限元模型；
图3为本发明实施例的施加后张力载荷后的最后一道次有限元模型；
图4为本发明实施例的施加前后张力载荷后的中间道次有限元模型。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
第一实施例
本实施例提供一种基于ANSYS-APDL语言的考虑张力载荷的大方坯连轧变形预测方法，如图1所示，该大方坯连轧变形预测方法包括以下步骤：
S101、基于ANSYS APDL语言建立单道次轧制几何模型；
具体地，在本实施例中，S101包括：
1、使用APDL语言对本道次箱型孔的孔型参数分别进行定义和赋值，包括：槽口宽度W1、槽底宽度W2、孔型深度DE，孔型内圆弧半径R1、孔型外圆弧半径R2及轧辊直径DI；对轧制工艺参数分别进行定义和赋值，包括：辊缝尺寸GAP和轧辊转速RAD。
2、使用APDL语言中K命令，用孔型关键点坐标生成孔型关键点，用LSTR命令将孔型关键点连成线，用LFILLT生成孔型圆角，用AROTAT命令将孔型曲线围绕轧辊中心线旋转生成轧辊面；
3、使用*IF语句判断当前道次是否是连轧第一道次；
若当前道次是连轧第一道次，则对轧件尺寸参数进行定义，包括：轧件宽PLW，轧件高PLH，轧件圆角半径PLR及轧件长度PLL。使用APDL语言中K命令，用轧件关键点坐标生成轧件关键点，用LSTR命令将轧件关键点连成线，用LFILLT生成轧件圆角，用AL命令将封闭的线段围成面，用AGEN命令将轧件端面拉伸成三维实体；
若当前道次不是连轧第一道次，则提取前一道次的几何模型计算结果作为当前道次的几何模型。
此外，需要说明的是，在S101中，是针对大方坯连轧过程的每个道次分别建立单道次的几何模型，其输入参数为本道次轧件和轧辊孔型几何尺寸。而且可根据轧辊与轧件几何形状与载荷的对称性，建立四分之一模型。
S102、基于ANSYS APDL语言确定轧件和轧辊的材料并分别对轧件和轧辊进行网格划分；
具体地，在本实施例中，S102包括：
1、使用APDL语言中MP命令，定义轧件和轧辊的材料，其中轧件为塑性材料，使用应变率相关的材料模型，应力应变数据为实测材料数据，轧辊为刚性材料；
2、使用APDL语言中ET命令，定义轧件和轧辊的单元类型，其中轧件单元类型为SOLID164，轧辊单元类型为SHELL163；
3、使用APDL语言中LESIZE命令，分别对轧件和轧辊的每个边定义网格尺寸，再使用VMESH和AMESH命令分别对轧件和轧辊进行网格划分。
S103、基于ANSYS APDL语言确定轧件张力载荷和轧辊转速载荷；
具体地，在本实施例中，S103包括：
1、使用*IF语句判断当前道次是否是连轧第一道次；
若当前道次不是连轧第一道次，则使用APDL语言对当前道次与前一道次之间的张力值T1赋值；使用APDL语言NSEL命令选中轧件尾部端面的节点，用CM命令建立名为TAIL的节点集，用EDLOAD命令施加后张力载荷T1；
若当前道次是连轧第一道次，则后张力载荷T1＝0；
2、使用*IF语句判断当前道次是否是连轧最后一道次；
若当前道次不是连轧最后一道次，则使用APDL语言对当前道次与后一道次之间的张力值T2赋值；使用APDL语言NSEL命令选中轧件头部端面的节点，用CM命令建立名为HEAD的节点集，用EDLOAD命令施加前张力载荷T2；
若当前道次是连轧最后一道次，则前张力载荷T2＝0；
3、使用APDL语言EDLOAD命令为轧辊施加转速载荷RAD；
4、使用APDL语言定义轧辊与轧件间的接触。
S104、基于ANSYS APDL语言确定求解时间、结果输出频率及文件格式，保存几何模型后进行求解；
S105、基于ANSYS APDL语言对求解结果进行处理，获得轧件应力应变分布及变形量。
具体地，在本实施例中，S105包括：
使用APDL语言WP命令定义工作平面，PLNSOL命令获得轧件中心截面处的应力分布及应变分布图，*VWRI TE命令将本道次关键位置的应力、应变、宽展和延伸量输出到数据文件中，可用于对比不同工艺条件对轧件变形的影响。
本实施例通过ANSYS APDL语言建立的考虑张力载荷的单道次大方坯轧制三维计算模型，不仅精度高，而且降低了建模的复杂性和计算量，每次计算时仅需按现场孔型尺寸和工艺参数为某些变量赋值，就可以利用此模型高效的预测大方坯在连轧时的宽展变形。
第二实施例
本实施例提供一种基于ANSYS-APDL语言的考虑张力载荷的大方坯连轧变形预测方法，该大方坯连轧变形预测方法包括以下步骤：
一、基于ANSYS APDL语言建立单道次轧制几何模型；
1、首先使用APDL语言对本道次箱型孔的孔型参数分别进行定义和赋值，槽口宽度W1＝366.5mm、槽底宽度W2＝340mm、孔型深度DE＝60.1mm，内圆弧半径R1＝30mm、外圆弧半径R2＝20mm，轧辊直径DI＝900mm，对轧制工艺参数进行定义，辊缝尺寸GAP＝132mm，轧辊转速RAD＝0.38，对轧件尺寸参数进行定义，轧件宽PLW＝392mm，轧件高PLH＝280mm，轧件圆角半径PLR＝24mm，轧件长度PLL＝500mm；
2、使用APDL语言中K命令，用关键点坐标生成孔型关键点，用LSTR命令将关键点连成线，用LFILLT生成孔型圆角，用AROTAT命令将孔型曲线围绕轧辊中心线旋转生成轧辊面；
3、使用APDL语言中K命令，用关键点坐标生成轧件关键点，用LSTR命令将关键点连成线，用LFILLT生成轧件圆角，用AL命令将封闭的线段围成面，用AGEN命令将轧件端面拉伸成三维实体；
二、基于ANSYS APDL语言确定材料和划分网格；
1、使用APDL语言中MP命令，定义轧件和轧辊材料，其中轧件为塑性材料，使用率相关的材料模型，应力应变数据为实测材料数据，轧辊为刚性材料；
2、使用APDL语言中ET命令，定义轧件和轧辊的单元类型，其中轧件单元类型为SOLID164，轧辊单元类型为SHELL163；
3、使用APDL语言中LESIZE命令，分别对轧件和轧辊的每个边定义网格尺寸，再使用VMESH和AMESH命令分别对轧件和轧辊进行网格划分；
三、基于ANSYS APDL语言确定张力载荷及其他边界条件；
1、使用*IF语句判断当前道次是连轧第一道次，使用APDL语言对当前道次后张力载荷赋值T1＝0；
2、使用*IF语句判断当前道次不是连轧最后一道次，使用APDL语言对当前道次与后一道次之间的张力值T2赋值，T2＝2.7N/mm2；使用APDL语言NSEL命令选中轧件头部端面的节点，用CM命令建立名为HEAD的节点集，用EDLOAD命令施加前张力载荷T2；
3、使用APDL语言EDLOAD命令为轧辊施加转速载荷RAD；
4、使用APDL语言定义轧辊与轧件间的接触；
其中，施加前张力载荷后的第一道次有限元模型如图2所示，施加后张力载荷后的最后一道次有限元模型如图3所示，施加前后张力载荷后的中间道次有限元模型如图4所示。
四、基于ANSYS APDL语言确定求解时间及其他选项，并求解；
使用APDL语言定义求解时间，结果输出频率和文件格式，保存模型后进行求解计算。
五、基于ANSYS APDL语言对结果进行处理；
使用APDL语言WP命令定义工作平面，PLNSOL命令获得轧件中心截面处应力分布和应变分布图，*VWRITE命令将本道次关键位置应力、应变、宽展量和延伸量输出到数据文件中去，可用于对比不同工艺条件对轧件变形的影响。
此外，需要说明的是，本领域内的技术人员应明白，本发明实施例的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于ANSYS-APDL语言的考虑张力载荷的大方坯连轧变形预测方法，其特征在于，所述大方坯连轧变形预测方法包括以下步骤：
步骤一、基于ANSYS APDL语言建立单道次轧制几何模型；
步骤二、基于ANSYS APDL语言确定轧件和轧辊的材料并分别对轧件和轧辊进行网格划分；
步骤三、基于ANSYS APDL语言确定轧件张力载荷和轧辊转速载荷；
步骤四、基于ANSYS APDL语言确定求解时间、结果输出频率及文件格式，保存几何模型后进行求解；
步骤五、基于ANSYS APDL语言对求解结果进行处理，获得轧件应力应变分布及变形量；
所述步骤三包括：
使用*IF语句判断当前道次是否是连轧第一道次；
若当前道次不是连轧第一道次，则使用APDL语言对当前道次与前一道次之间的张力值T1赋值；使用APDL语言NSEL命令选中轧件尾部端面的节点，用CM命令建立名为TAIL的节点集，用EDLOAD命令施加后张力载荷T1；
若当前道次是连轧第一道次，则后张力载荷T1＝0；
使用*IF语句判断当前道次是否是连轧最后一道次；
若当前道次不是连轧最后一道次，则使用APDL语言对当前道次与后一道次之间的张力值T2赋值；使用APDL语言NSEL命令选中轧件头部端面的节点，用CM命令建立名为HEAD的节点集，用EDLOAD命令施加前张力载荷T2；
若当前道次是连轧最后一道次，则前张力载荷T2＝0；
使用APDL语言EDLOAD命令为轧辊施加转速载荷RAD；
使用APDL语言定义轧辊与轧件间的接触。
2.如权利要求1所述的基于ANSYS-APDL语言的考虑张力载荷的大方坯连轧变形预测方法，其特征在于，所述步骤一包括：
使用APDL语言对本道次孔型参数及轧制工艺参数分别进行定义和赋值；
使用APDL语言中K命令，用孔型关键点坐标生成孔型关键点，用LSTR命令将孔型关键点连成线，用LFILLT生成孔型圆角，用AROTAT命令将孔型曲线围绕轧辊中心线旋转生成轧辊面；
使用*IF语句判断当前道次是否是连轧第一道次；
若当前道次是连轧第一道次，则对轧件尺寸参数进行定义，使用APDL语言中K命令，用轧件关键点坐标生成轧件关键点，用LSTR命令将轧件关键点连成线，用LFILLT生成轧件圆角，用AL命令将封闭的线段围成面，用AGEN命令将轧件端面拉伸成三维实体；
若当前道次不是连轧第一道次，则提取前一道次的几何模型计算结果作为当前道次的几何模型。
3.如权利要求2所述的基于ANSYS-APDL语言的考虑张力载荷的大方坯连轧变形预测方法，其特征在于，所述孔型参数包括：槽口宽度W1、槽底宽度W2、孔型深度DE，孔型内圆弧半径R1、孔型外圆弧半径R2及轧辊直径DI。
4.如权利要求2所述的基于ANSYS-APDL语言的考虑张力载荷的大方坯连轧变形预测方法，其特征在于，所述轧制工艺参数包括：辊缝尺寸GAP和轧辊转速RAD。
5.如权利要求2所述的基于ANSYS-APDL语言的考虑张力载荷的大方坯连轧变形预测方法，其特征在于，所述轧件尺寸参数包括：轧件宽PLW，轧件高PLH，轧件圆角半径PLR及轧件长度PLL。
6.如权利要求1所述的基于ANSYS-APDL语言的考虑张力载荷的大方坯连轧变形预测方法，其特征在于，所述步骤二包括：
使用APDL语言中MP命令，定义轧件和轧辊的材料，其中轧件为塑性材料，使用应变率相关的材料模型，应力应变数据为实测材料数据，轧辊为刚性材料；
使用APDL语言中ET命令，定义轧件和轧辊的单元类型，其中轧件单元类型为SOLID164，轧辊单元类型为SHELL163；
使用APDL语言中LESIZE命令，分别对轧件和轧辊的每个边定义网格尺寸，再使用VMESH和AMESH命令分别对轧件和轧辊进行网格划分。
7.如权利要求1所述的基于ANSYS-APDL语言的考虑张力载荷的大方坯连轧变形预测方法，其特征在于，所述步骤五包括：
使用APDL语言WP命令定义工作平面，PLNSOL命令获得轧件中心截面处的应力分布及应变分布图，*VWRITE命令将本道次关键位置的应力、应变、宽展量和延伸量输出到数据文件中，用于对比不同工艺条件对轧件变形的影响。
8.如权利要求1所述的基于ANSYS-APDL语言的考虑张力载荷的大方坯连轧变形预测方法，其特征在于，在步骤一中，针对大方坯连轧过程的每个道次分别建立单道次的几何模型，其输入参数为本道次轧件和轧辊孔型几何尺寸。
9.如权利要求1-8任一项所述的基于ANSYS-APDL语言的考虑张力载荷的大方坯连轧变形预测方法，其特征在于，在步骤一中，根据轧辊与轧件几何形状与载荷的对称性，建立四分之一模型。
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| CN110705146A (zh) | 2020-01-17 |
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