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箱形孔轧制弹塑性与刚塑性有限元模拟的比较

2013/12/14    来源:MSC    作者:洪慧平  程政  康永林      
关键字:弹塑性有限元  刚塑性有限元  有限元模拟  MSC.Marc  
文章介绍了应用MSC.Marc有限元模拟软件,在相同的轧制初始条件下,针对热作模具钢H11钢坯在箱形孔型中的轧制变形过程分别进行三维热力耦合弹塑性有限元模拟和刚塑性有限元模拟。根据建立的弹塑性有限元和刚塑性有限元模型,重点模拟和分析轧制过程的等效von Mises应力、总等效塑性应变、等效塑性应变速率、温度变化、轧制力、轧制力矩以及轧件体积的变化情况。根据模拟分析和比较,得出热轧过程弹塑性和刚塑性有限元模拟的异同,为有效模拟轧制过程提供理论依据。

1 前言

    多年来弹塑性有限元法和刚塑性有限元法被广泛地应用于金属轧制成形过程的数值模拟研究。但是针对同一钢种在相同轧制条件下分别进行弹塑性有限元模拟和刚塑性有限元模拟并对两种模拟方法及结果进行比较,文献报道不多。尽管在轧制过程(特别是热轧过程)通常弹性变形不大(与塑性变形相比而言),但由于所用有限元列式的不同,很显然弹塑性与刚塑性有限元模拟结果不可能相同。为了更加有效地模拟并充分认识热轧变形过程的物理本质,有必要了解弹塑性与刚塑性有限元模拟结果的异同(包括等效von Mises应力、等效塑性应变、等效塑性应变速率、温度、轧制力、轧制力矩以及轧件体积的变化情况等)。本文针对热作模具钢H11在箱形孔型中的轧制过程,应用MSC.Marc有限元模拟软件分别进行弹塑性有限元模拟和刚塑性有限元模拟,根据模拟结果得出这两种方法应用于热轧过程模拟结果的异同,为更加有效地模拟轧制过程提供技术依据。

2 材料变形行为及有限元模型建立

    在MSC.Marc software有限元软件中针对求解发生在轧制过程的大变形和大应变问题有弹塑性有限元法和刚塑性有限元法。在弹塑性有限元法中,采用更新的拉格朗日法(updated Lagrangian method),而在刚塑性有限元法中,采用更新的欧拉法(the updated Eulerian method)。弹塑性有限元法中用塑性增量理论、von Mises屈服准则及各项同性的硬化律描述材料变形行为。

    加工硬化系数H可表示为

加工硬化系数H

    von Mises屈服准则表示为

von Mises屈服准则

    Prandtl-Reuss流动法则表示为

Prandtl-Reuss流动法则

    其中dεp和σ分别为等效塑性应变增量和等效应力。

    在刚塑性流动模型中,不考虑弹性的影响。在刚塑性流动模型中,需要强行不可压缩条件(考虑完全塑性材料的响应),不可压缩性是借助拉格朗日乘子或罚因子方程。

    刚塑性流动模型的求解是建立在对不可压缩的、非牛顿流体的速度场进行迭代。非零应变速率的法向流动条件可表示为

非零应变速率的法向流动条件

    其中

公式

    是等效应变速率,σ是屈服应力(可能与应变速率有关),而且

公式

    为偏应力。

    由于MSC.Marc的材料库中没有H11热作模具钢,因此需要通过实验实测并建立该钢种的材料模拟仿真数据库(其中包括热变形抗力、杨氏模量、导热系数、线膨胀系数、比热容等)。

    采用Gleeble-1500材料热模拟试验机进行压缩试验并回归得到H11热作模具钢热变形抗力表示为

热作模具钢热变形抗力

    其中σ屈服应力(MPa)、ε变形程度、字母变形速率(1/s)、T变形温度(K)。

    在箱形孔型中轧制前的钢坯矩形横截面尺寸为199mm(高度)×197mm(宽度)并且圆角半径为20mm。箱形孔宽度(Bk)和高度(hk)分别为220mm和165mm。轧辊直径为767mm,轧辊角速度为1.22369rad/s。轧辊温度为300℃,钢坯开轧温度为990℃,环境温度为25℃。

    考虑钢坯横截面四分之一对称建立有限元模型,钢坯初始长度取为587.5mm并且沿长度方向均分为47部分,每个部分横截面被划分为63个单元。钢坯总共具有2961个单元和3792个节点并且采用八节点六面体等参单元类型。

    在弹塑性有限元模型中,钢坯定义为弹塑性变形体,轧辊定义为刚性接触体。在刚塑性有限元模型中,钢坯定义为刚塑性变形体,轧辊定义为刚性接触体。泊松比为0.3而密度为7.75×10-3g/mm3,其它热物性参数(包括热变形抗力、杨氏模量、导热系数、线膨胀系数、比热容等)根据实验确定。在弹塑性有限元和刚塑性有限元模型中,采用剪切摩擦模型,摩擦因子取0.7。在传热边界条件中,钢坯与环境的换热系数取0.17kW/(m2.℃),钢坯与轧辊的接触换热系数取20kW/(m2.℃),塑形变形功转变为变形热的转换系数取0.9。

    图1为H11热作模具钢箱形孔型轧制的有限元模型的网格划分情况(1/4对称模型),其中在钢坯横截面上选择高度方向节点A、角部节点B和底部节点C对弹塑性有限元和刚塑性有限元模拟结果进行比较。

H11钢箱型孔轧制有限元模型

图1 H11钢箱型孔轧制有限元模型(1/4对称模型)

责任编辑:程玥
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