案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析

本案例演示了在三维大变形问题中使用网格重划分。在大变形分析中(如热轧,锻造,挤压等)单元均承受过度变形,这将最后导致计算终止。

主要用到了下列特点和能力:

• 三维问题中的网格重划分

• 复杂问题中接触技术的使用

• 用户自定义对称扩展选项

简介

热轧是发生于材料温度在再结晶温度之上的金属成形问题。热轧问题存在很多种,包含结构形状轧制,其中型材通过轧辊以达到想要的形状和截面。

结构钢是最长使用的热轧材料,通常结构钢的形状包括I型梁,H型梁,T型梁,U型梁和通道。本例子使用I型梁进行网格重划分计算。

热轧过程的描述

热轧过程主要包含两个阶段,非稳态和稳态,热轧过程的开始和结束是非稳态阶段,剩余过程为稳态阶段。

在非稳态阶段钢坯与轧辊接触并填充了轧辊间的间隙,当钢坯的末端与轧辊接触分离后,成形过程进入稳态。

热轧过程的模拟

  尽管经常使用瞬态分析来模拟热轧过程,当动态效应不重要或瞬态分析可能需要额外资源的时候,用静态分析更好。本例演示了热轧过程非稳态和稳态阶段怎么通过静态分析模拟的。

  静态分析分两步,第一步建立轧制模型,第二步模拟热轧。在第一个载荷步中,钢坯朝刚性轧辊移动并与其建立接触,填充轧辊之间的间隙,为了建立轧制过程,钢坯应该部分填充进轧辊的间隙,这样当轧辊开始转动后,它们能通过摩擦力将钢坯拉入。

  在第二个载荷步中,轧辊将钢坯拉入并最终将方形钢坯变为I型截面块。

  在本例中,仿真由于网格扭曲在第一个载荷步的末尾终止,此时需要网格重划分修复扭曲网格,分析以新网格重启并继续

问题描述

将矩形块穿过一组辊子以获得I形梁,如下图所示:

  案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图1 案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图2

  使用两种类型的轧辊,水平上下轧辊增加钢坯的宽度减小其高度;竖直水平轧辊与水平轧辊联合生成I型截面钢,两种轧辊均使用刚性目标单元。

下图显示了问题关于两个平面(XZYZ)是对称的:

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图3

为减小建模和计算时间,只分析四分之一模型,得到结果之后可采用相对于两个对称平面的对称扩展选项得到整体模型结果。

仿真分两个静态载荷步,在第一个载荷步中,钢坯向全约束的刚性轧辊移动,建立轧制过程;在第二个载荷步中,轧辊相对于各自的轴旋转,钢坯可在Z方向自由移动。

随着轧辊的旋转,钢坯由于轧辊和其之间的巨大摩擦力被送进轧辊并形成I型截面,在如此的大变形问题中,网格畸变是很常见的,会造成收敛困难和分析终止,因此需要网格重划分来修复畸变网格使分析继续。

由于少数单元中的过度变形,分析在第一加载步中出现发散。重划分操作可以修复扭曲的网格,并允许继续分析。

建模

下图显示了该模型的四分之一,这是该分析所需的全部内容:

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图4

建模块体

钢坯几何在DesignModeler中建模并用SOLID185单元划分(使用混合u-P公式KEYOPT(6)=1),下图显示了块的尺寸和网格:

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图5

注意,块在顶面的两端都有小圆角。圆角有助于与上辊建立接触。如果没有圆角,块的锐角将导致局部奇点,分析将出现发散。

建模轧辊

有两种方法可用于创建刚性目标曲面

通过基元体定义目标单元:

如果目标面可以用任何可用的基元体描述(圆,圆柱,圆锥和球),也可以通过常用片段(线,抛物线,三角形和四边形)和基元体片段的组合来定义目标面。

必须首先定义目标单元的形状TSHAP,然后通过实常数定义半径,直接生成节点和单元。

用目标单元TARGE170生成面网格:

如果目标面不能用基元体建模,则使用该方法。因为竖直轧辊存在圆角,所以其不能用基元体建模。

接触建模:

钢坯和上轧辊的接触对

顶辊和钢坯之间形成标准的刚-柔接触对。如下图所示,钢坯的四个面是接触面:

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图6


接触表面通过CONTA174单元建模。

使用一个TARGE170单元和基本体(TSHAPCYLI)对刚性顶辊进行建模。

生成与上轧辊相关联的引导点,引导点控制整个目标面的运动,当转动或转矩加载时引导点的位置特别重要。本例中,引导点在上轧辊的质心上建立,因为在第二个载荷步轧辊必须转动。在接触对中使用增广拉格朗日算法。以下示例输入显示了如何对触点对进行建模:

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图7

钢坯和侧轧辊的接触

在钢坯和侧轧辊之间使用标准的刚-柔接触对,接触面使用CONTA174单元划分网格。引导点在侧轧辊的质心生成,并控制侧轧辊的运动。

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图8

接触表面用CONTA174单元建模,刚性侧辊用TARGE170单元建模。与之前的接触对一样,在侧辊的质量中心处创建了一个引导点。引导点控制侧辊的运动。

以下示例输入显示了如何对触点对进行建模:

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图9

材料属性:

   结构钢采用弹塑性本构,双线性各向同性强化模型(TB,BISO,在热轧问题中使用低屈服应力。

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图10

1.热轧问题使用低屈服应力值。

2.在轧制过程中,辊与块之间。

边界条件和加载

设置对称边界条件,第一步钢坯沿Z方向有1.5的位移。

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图11

加载步1建立与轧辊的接触

允许钢坯朝辊移动并与辊建立接触。位移(Uz=1.5 m)施加在砌块的左端面上,如下图所示:

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图12

通过使用导向节点,刚性滚轮(顶部和侧面)在所有方向上都受到约束。不使用摩擦。

以下输入应用第一加载步中使用的边界条件和加载:

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图13

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图14

加载步2:热轧

在第二个载荷步中轧辊开始旋转,钢坯在Z向自由移动,使用高摩擦系数0.6。因为上轧辊和侧轧辊尺寸不同,为保持连续性需要给于它们不同的转动速度,计算侧轧辊的转动时不考虑前后的滑动,以下输入应用第二加载步骤中使用的边界条件和加载:

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图15

分析和求解控制:

非线性静态分析分两个加载步进行,每个加载步一秒。分析在第一个加载步中发生发散网格重划分,然后恢复分析。

重启动文件在每个子步中保存,因为重划分需要重启动文件,而需要重划分的子步仍然未知。结果项也存储在每个子步中。

出于说明的目的,重启动文件和结果项在每个子步都会保存,尽管这样做需要大量内存。在大多数情况下,只需每隔几个子步保存一次即可。

以下输入应用运行的求解设置:

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图16

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图17

第一步加载在时间time=0.7718开始不收敛,最后一个收敛的子步40子步如下图:

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图18

因为网格重划分应该从网格出现变形之前的几步开始,所以从第30个子步开始启动网格重划分是合理的。

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图19

下图显示了原始变形网格和新的良好网格

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图20

以下输入在第30子步启动重划分,并读取新网格:

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图21

在网格重划分之后,程序将表面载荷,力,边界条件和接触对(如果存在的话)从原来的变形网格传递给新网格,检查网格重划分后的模型来验证所有的数据已经成功转移是一个好习惯。

从原始网格映射到新网格的求解

在网格重划分之后,所有的结果被映射到新网格,造成的残余力重新平衡,通过mpsolve来实现映射。下图显示了网格重划分前后的接触压力。

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图22

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图23

映射操作结束了重划分过程,标准的多帧重启动使用新网格恢复求解过程。

使用新网格继续分析

在将变量从旧网格映射到新网格并重新平衡残余力后,多帧重启动ANTYPE,,restart,,,CONTINUE)使用新网格恢复非线性求解。

下列命令会让分析重启动:

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图24

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图25

结果和讨论

下图显示了最后一个收敛子步骤(TIME=.7718)初始运行的变形图(USUM)。

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图26

成功重划分后,下图显示了建立轧制过程后(第一个加载结束时)模型的变形图(USUM):

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图27

在第二个加载步中,通过旋转辊并使用辊与坯料之间的高摩擦接触来执行热轧过程。下图显示了第二个加载结束时模型的变形图(USUM):

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图28

为了最后查看整个模型,使用两次对称扩展/EXPAND命令,结果如下:

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图29

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图30

上轧辊的转矩随时间变化如下图所示,转矩在1.25s1.6s变化较小,这段时间的热轧过程可以看成稳态。上轧辊三个方向的接触力如下图所示,证明沿Y方向即向下方向的轧制力最大。

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图31 案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图32

整个扩展模型的等效塑性应变如下,证明在I型梁的腹板和法兰连接处具有较大的塑性应变区。在稳态阶段,大塑性变形区的塑性应变不怎么随时间变化而变化。

案例27-带有3D网格重划分的结构钢热轧分析的图33

如果网格重划分之后在初始运行的不收敛时间之前又不收敛了,则新划分的网格质量不够好,或者存在其他与网格畸变无关的问题(如几何或材料失稳)。

建议

要使用网格划分进行类似的三维模拟,请考虑以下提示和建议:

• 热轧过程可以通过两个载荷步的静态分析进行模拟。第一个加载步骤推动钢坯,直到钢坯与辊子建立接触,第二个加载通过旋转辊子拉动钢坯。

• 网格重划分之前,备份结果并在单独的目录中新启动与初始运行相关的文件。重划分会更新结果并重启动文件,因此如果希望在另一个子步尝试划分,则原始文件将不再可用。

• 如果在原始网格过于扭曲的子步骤中执行网格重划分(其中形状检查[SHPPCHECK]指示错误),则网格重划分将不起作用。因此,应在更早的子步中重划分

• 与原始网格相比过于精细的新网格可能会导致映射MAPSOLVE)错误。

• 新网格的主要求是它应正确捕捉变形模型外表面几何图形

• 网格(REMESHFINISH)后检查模型,以验证所有边界条件、接触对,并且载荷已经从原始网格正确地转移到新网格。

• 重划分后,如果分析在经过初始运行的发散时间后再次发散,则多次重划分可能是必要的。如果分析在通过初始运行的发散时间之前再次发散,则新网格质量不足,或其他与网格变形无关的问题(如几何和材料不稳定性)


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