有限的元数值模拟用于环件轧制或辗扩地算例分析报告(田菁菁)

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1、实用标准文案有限元数值模拟用于环件轧制或辗扩的算例分析模具102班田菁菁10102060521摘要：本文主要介绍“大型环件径轴向轧制有限元模拟中导向辊运动控制”、“大型环件轧制过程有限元模型的简化”、“环件轧制三维有限元模拟中质量缩放方法的运用”、“基于Abaqus的梯形环件冷辗扩的有限元模拟”四个有限元数值模拟在环轧或辗扩中运用的例子。关键词：导向辊；环件轧制；有限元方法；运动控制；模型简化;质量缩放；咬入条件；冷辗扩1、大型环件径轴向轧制有限元模拟中导向辊运动控制利用数学软件MATLAB，对导向辊运动过程中的角

2、速度、水平(X)、竖直(Y)方向的位移进行了计算，将获得的计算数据导入到通用模拟软件ABAQUS中，并利用其对4.6m大直径环件径、轴向轧制成形过程进行成形仿真。结果表明，合理的导向辊运动控制实现了大型环件的径、轴向轧制，模拟结果显示，应力、应变分布及端面鱼尾形状等符合实际。1.1导向辊的运动分析大型环件径轴向轧制所用的设备为5m的轧环机，根据该设备运动系统的特点，以驱动辊中心为坐标原点建立了如图1所示的导向辊运动控制示意图。在图1中，o为驱动辊的中心，A和A1分别为两个导向辊运动圆弧轨迹的中心，即两个导向辊的运动

3、轨迹是分别以A、A1为圆心，AB、A1B1为半径的一段圆弧。由于导向辊的运动是从动，现假设导向辊与环件在整个轧制过程中始终保持接触，同时分别以A、A1为中心作旋转运动，并在与环件接触的条件下以自身中心作旋转运动。在实际生产中要使得导向辊保持与环件接触并保持一定的压力，精彩文档实用标准文案而该力又不致于过大而影响环件的直径均匀变大，就必须保持导向辊的运动与环件直径增大的运动保持协调一致。现以矩形截面大型环件为例进行导向辊运动的推导。如图1所示，环件初始外半径为R，内半径为r，高度为H。则初始的环件壁厚为：W=R-r(

4、1)初始的环件体积为：(2)在环件轧制过程中，为方便理论计算，假设环件在整个轧制过程中体积不变，且始终为圆形。设芯辊的进给速度为Vx，上锥辊的下压速度为Vz，则在t时刻芯辊的进给量为：St=Vx×t(3)随着芯辊不断进给，环件的壁厚不断减薄，减薄量即为芯辊进给量。根据几何条件可得到时刻的壁厚为：Wt=W-St×t(4)同理，t时刻环件的高度则为：Ht=H-Vz×t(5)根据环件轧制过程中的几何关系及体积不变原理，可知，t时刻环件外半径Rt和内半径rt有如下关系：Wt=Rt-rt(6)V0=π(Rt2-rt2)Ht(

5、7)联立以上几式可得到t时刻Rt和rt：Rt=0.5[V0(πHt)+Wt2]/Wt(8)rt=0.5[V0(πHt)-Wt2]/Wt(9)以图1中下导向辊为例推导其t时刻的坐标。如图示，假设导向辊初始位置为B0(xb0,yb0)，在环件轧制过程中任意时刻导向辊的坐标：在△ABC中，a=BC，b=AC,c=AB。A(Xa,Ya),C(Xc,Yc)可知，a=Rd+Rt,b=(xa-xc)2+(ya-yc)2。由几何数学关系得：tanβ=(Ya-Yc)/(Xa-Xc)(10)c2=a2+b2-2abcosα(11)联合

6、以上几式可求的环件轧制任意t时刻的导向辊坐标(Xb，Yb)：xb=xc-acos(α+β)(12)yb=asin(α+β)(13)根据导向辊圆心坐标可以求出其在时刻的旋转弧长L为：L=cθ对θ求时间t的一阶导数，就可以得到导向辊圆心旋转角速度ω，即通过以上这些公式就可得到环件轧制过程中的各种参数与角速度及X、Y位移坐标的数据。1.2大型环件径轴向轧制过程数值模拟1.2.1导向辊运动控制计算根据企业提供的环轧机的相关参数，驱动辊直径Rq=0.475m，导向辊直径Rd=0.2m。模拟时主动辊X方向的初始速度为：Vx=0

7、.66742×10-3m/s，锥辊Z方向的初始速度为：Vz=0.0833×10-3m/s，t=15s。精彩文档实用标准文案首先利用MATLAB软件，将数据代入到编写的程序中，得到导向辊圆心旋转的角速度、导向辊x坐标位移变化值、y坐标位移变化值，分别如图2所示。在图2中，在轧制初始咬入阶段，导向辊圆心角速度随轧制进行不断增大，进入轧制阶段后，圆心角速度变化不大。通过对导向辊圆心旋转的角速度控制或者导向辊X、Y坐标位移的控制，实现对整个轧制过程中导向辊的运动控制。1.2.2数值模拟结果为了验证所推导的驱动辊控制方程的可

8、行性，以环坯初始为：外半径R=1.85m、内半径r=1.55m、高度H=0.35m的径轴向轧制过程模拟为例子，通过MATLAB和ABAQUS的协同仿真，将MATLAB获得的数据导入到Abaqus软件中，导向辊的控制按照图2进行设置，摩擦系数为0.4。在模拟过程中，导向辊与环件保持良好的接触，环件运动过程平稳，端面质量较好，圆度较好，尺寸精度高。模拟结束时应力