1工程背景介紹
軋制是旋轉(zhuǎn)的軋輥將材料帶入輥縫之間并使之產(chǎn)生變形的過程。接近軋件頭尾端的變形是非穩(wěn)定變形，而在其他部分，沿軋件前進方向上條件沒有急劇的變化，故為穩(wěn)定狀態(tài)。軋制生產(chǎn)中，材料的塑性變形規(guī)律、軋輥和軋件之間的摩擦現(xiàn)象、材料中的溫度和微觀組織的變化、軋制過程中的壓下率、寬厚比等及其對軋件質(zhì)量的影響，都是非常復雜的問題。影響生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量的原因很多，從現(xiàn)場和實驗中得到的規(guī)律和理論很難覆蓋所有方面，而且耗費巨大。采用數(shù)值模擬的方法進行數(shù)值實驗是近年來理論研究中的趨勢，將有限元方法應用于軋制過程的理論研究不但可以節(jié)省實驗費用，而且因其高速性和可靠性可以對軋制過程中不易進行實驗研究的課題進行深入地探討。
2問題介紹
平板軋制技術表面上看起來非常簡單，但是實際生產(chǎn)時遇到的問題很多，并且有些至今尚未很好地解決。如軋制變形區(qū)內(nèi)的三維應力應變分布規(guī)律、中厚板的平面形狀規(guī)律、咬入和拋鋼階段的不穩(wěn)定變形等。因此，采用有限元方法特別是彈塑性有限元方法對軋制過程進行分析仍非常必要。
在軋制過程的彈塑性有限元分析中，按所用的有限元計算方法可以分為兩大類：迭代算法求解微分方程的隱式算法和差分積分方法求解微分方程的顯式算法。本文簡述了本實驗室對平板軋制過程進行模擬的一些情況，著重介紹采用ANSYS和ANSYS/LS-DYNA進行平板軋制過程模擬的基本思路，并對采用顯式和隱式算法中的一些差別進行了比較。
3模型描述
3.1隱式二維剛性輥軋制過程模擬
采用ANSYS隱式算法計算二維剛性輥軋制過程中，輥為剛性輥，軋輥的運動通過PILOT節(jié)點進行控制，可使軋輥勻速轉(zhuǎn)動。軋件采用PLANE42單元進行網(wǎng)格劃分，并且根據(jù)對稱性只取軋件的上半部分進行分析，在對稱邊界上施加對稱約束。軋輥與軋件間的接觸采用庫倫摩擦。軋輥轉(zhuǎn)動和軋件向前運動適當距離時計算一次，直至完成軋制過程。
3.2隱式二維彈性輥軋制過程模擬
隱式二維彈性輥軋制過程，軋輥為彈性輥，彈性軋輥采用PLANE42進行網(wǎng)格劃分，軋輥的轉(zhuǎn)動由附加于軋輥上的具有轉(zhuǎn)動自由度的梁單元來施加，軋輥與軋件之間的接觸仍采用庫倫摩擦。
3.3隱式三維剛性輥軋制過程模擬
隱式三維剛性輥軋制過程，軋輥為剛性圓柱體，依靠PILOT節(jié)點進行控制，使其繞軸線勻速轉(zhuǎn)動。根據(jù)對稱性，軋件取四分之一部分建立模型，采用SOLID45進行網(wǎng)格劃分，軋輥與軋件間的接觸仍然采用庫倫摩擦。其它計算條件與前述相似。
3.4顯式三維剛性輥軋制過程模擬
顯式三維剛性輥軋制過程，輥采用剛性輥，但同隱式分析的軋輥表現(xiàn)形式不同，對于剛性輥也要進行單元劃分，在計算時這些單元并不耗費計算時間。軋件采用四分之一模型，軋輥和軋件之間的摩擦采用庫倫摩擦。軋輥和軋件都采用SOLID164單元進行網(wǎng)格劃分。計算時給予軋件以一定的初始速度，使其向輥縫運動，進入輥縫后靠接觸摩擦進行軋制。
3.5顯式三維彈性輥軋制過程模擬
顯式三維彈性輥軋制過程中的兩個孔形立輥為剛性輥，兩個平輥為彈性輥，接觸摩擦均采用庫倫摩擦，軋輥與軋件均采用SOLID164單元進行網(wǎng)格劃分。軋件以一定的初始速度向輥縫運動，進入輥縫后靠摩擦完成軋制過程。另外此模型中的軋件溫度沿寬向逐漸增大，變形抗力逐漸減小。
4結果分析
對于采用隱式算法進行分析和采用顯式算法進行分析，可以從理論上和計算實踐上進行比較。在理論方面，隱式算法是無條件穩(wěn)定的，而顯式算法是條件穩(wěn)定的，即只有在計算時間步長小于一定的時間步長時計算才是穩(wěn)定的，否則結果不可用。隱式算法計算時需要進行迭代過程，迭代的收斂性與很多因素有關，耗費在調(diào)整迭代收斂問題上的時間將非常多，這實際上降低了計算效率。而顯式算法因采用顯式積分方法，故沒有迭代和收斂的問題，耗費在調(diào)整計算上的時間少得多，此外還可以通過質(zhì)量縮放來縮短計算時間，這一點是隱式算法所不具有的，最終使采用顯式算法進行計算的效率較高。
從計算實踐上來說，采用隱式算法進行軋制過程模擬時，當壓下率較大時，軋件咬入會出現(xiàn)困難，可通過在軋件咬入時加一個適當?shù)耐屏Γ蛘呦扔纱怪狈较驂合乱朐龠M行軋制等方法解決。但總的來說，采用隱式分析方法時軋件的咬入始終是一個比較棘手的問題，在具體問題中還要進行更詳細的調(diào)整。而利用顯式方法計算時，由于對大變形接觸問題處理很方便，對于軋制模擬可以很好地解決咬入問題。即使在壓下率較大時，軋件的咬入也不會出現(xiàn)困難。另一方面，在彈性輥軋制過程中，由于軋輥的彈性變形和軋件大塑性變形的耦合解析，使得隱式計算的迭代過程非常不易收斂，要經(jīng)過很多次的調(diào)整才能得到一個穩(wěn)定的結果。特別是在壓下率比較大，網(wǎng)格畸變比較嚴重時更是如此。而顯式分析不存在收斂性問題，故這個調(diào)整過程可以大大縮短，從而提高了計算效率。再者，隱式分析中，計算時間與模型單元數(shù)量是二次方的關系。在計算過程中，由于單元的增加，使計算時間延長非常多，計算的調(diào)整也變得困難。而從本文的計算模型可以看出，顯式算法中的計算模型可以非常大，但實際的計算時間和調(diào)整時間比隱式算法少得多，這是因為顯式算法的計算時間與模型單元數(shù)量是線性關系，并且可以用質(zhì)量縮放等技術來縮短計算時間。
