（机械制造及其自动化专业论文）大口径直缝焊管成型工艺研究.pdf

t h e s i ss u b m i t t e dt ot i a n ji nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y f o rt h em a s t e r sd e g r e e t h er e s e a r c ho nt h ef o r m i n g t e c h n o l o g yo fl a r g e - - s i z e dd i a m e t e r w e l d e d p i p e b y d e y a n gs u n s u p e r v i s o r p r o f j i n d u oy e j a n u a r y2 0 1 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天津理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：卅廖净 签字日期：沙卜年月矿目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津理工大学有关保留、使用学位 论文的规定。特授权天津理工大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机 构送交论文的复本和电子文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：杆降吁导师签名：1 7 r 令守 签字日期：砂i ，p 年月日签字日期：祝。年月 2 4 - e i 摘要 直缝焊管成型过程复杂，理论上属于弹塑性大变形和接触非线性耦合问 题，其理论研究和实验研究远落后于工程实践。在工程实践中，直缝焊管孔型、 辊型和成型工艺的设计仍然采用经验设计方法，经验设计方法的主要缺点在于 工艺和轧辊设计的合理性必须通过生产实践检验，成本高、周期长，已经不适 合市场经济发展的需要。目前直缝焊管已经向大口径和高强度方向发展，已有 的连续辊式成型工艺和排辊成型工艺已不适应生产大口径高强度钢管的需要。 研究焊管完整的成型过程，对于实现焊管成型工艺和模具设计从经验设计方法 向数值模拟方法的转变和发展具有连续辊式成型和排辊成型优点的混合成型 工艺具有十分重要的意义。 本文根据孔型图，初步设计虚拟辊型。然后应用大型多物理场有限元软件 a n s y s l s d y n a 模拟0 3 0 3 m m 、0 2 1 9x7 m m 和0 61 0 16 m m 焊管的整个成型过程， 计算分析了管坯从初始带钢状态到最终形成管子的成型过程，获取了管坯在复 杂成型过程中的应力和应变分布。提出基于数值模拟结果的辊型设计方法，为 合理的设计焊管机组成型辊的辊型提供了依据。 关键词：焊管成型过程孔型虚拟辊型数值模拟 a b s t r a c t w e l d e dp i p ef o r m i n gp r o c e s s i sac o m p l e xp r o c e s sw h i c hb e l o n g st o e l a s t i c p l a s t i cl a r g e d e f o r m a t i o na n dc o n t a c t n o n l i n e a r c o u p l i n gp r o c e s s n s t h e o r yi sf a rb e h i n da c t u a lp r o d u c t i o np r a c t i c e w e l d e dp i p ef o r m i n g t e c h n i c sa n d f 0 1 1 e rd e s i g na r eb a s e do ne x p e r i e n c ef o r m u l a t i o n ，t e c h n i c sa n dr o l l e r sd e s i g n s v a l i d i t ys h o u l db ec h e c k e db yp r o d u c t i o np r a c t i c ei s i t sm a i nd i s a d v a n t a g e ，f o rt h e c o s ti sv e r yh i g ha n di sn o ts u i t a b l ef o rm a r k e te c o n o m y l a r g e d i m e n s i o na n dh i g h s t r e n g t hp i p ew h i c hi sn o tc a p a b l et ob ep r o d u c e db ye x i s t i n gc o n t i n u o u sr o l l i n g f o r m i n ga n dc a g er o l lf o r m i n gt e c h n i c si s t h ef u t u r eo fw e l d e dp i p e s t u d yo f w e l d e dp i p e sw h o l ef o r m i n gp r o c e s si si m p o r t a n tt oc h a n g et h ed e s i g nm o d e l f r o ml y i n g0 1 1e x p e r i e n c et od e s i g nb a s e do nn u m e r i c a ld e s i g n ，a l s o ，d e v e l o p i n ga m i x e df o r m i n gt e c h n i c sd e p e n d so nt h es t u d yo ft h ew h o l ef o r m i n gp r o c e s s i nt h i sp a p e rt h ev i r t u a lr o l l e r s d e s i g ni s b a s e do nt h ef i g u r eo ft h e p r o f i l e 0 30x 3m m ，0 219 7 r a ma n d0 610 16 m mw e l d e dw h o l ef o r m i n gp r o c e s s i ss i m u l a t e du s i n ga n s y s l s d y n a ；c a l c u l a t e da n da n a l y s e dt h ef o r m i n gp r o c e s s f r o mi n i t i a ls t a t et ot h el a s t ；o b t a i n e dt r a n s f o r m a t i o nd i a g r a mo fs t r e s s & s t r a i nf o r t h es t e e lp l a t ei nt h ef o r m i n gp r o c e s s t h em e t h o db a s e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n p r o v i d e st h eb a s i sf o rt h er a t i o n a ld e s i g n i n go ft h er o l l e rp r o f i l eo ft h ef o r m i n g r o l l e r so ft h ew e l d i n gp i p em i l l k e y w o r d s ：w e l d e dp i p e ，f o r m i n g - p r o c e s s ，p r o f i l e ，v i r t u a lr o l l e r s p r o f i l e ，s i m u l a t i o n 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 焊管生产的一般工艺过程1 i 2 1 焊管的定义及工艺特点1 1 2 2 焊管的分类2 1 3 直缝焊管的成型2 1 3 1 辊式成型法分类3 1 3 2 成型质量的控制5 1 4 国内外研究现状分析5 1 5 目前国内外研究所存在的问题7 1 6 本文的研究内容7 1 7 本文的研究的主要创新点8 1 8 本章小结8 第二章轧制力能参数9 2 1 现代轧制理论研究的发展背景9 2 1 1 现代轧钢生产和轧制技术的发展9 2 1 2 现代轧制理论的研究任务9 2 2 基本概念9 2 3 轧制过程基本参数1 0 2 4 金属塑性变形条件一塑性方程式1 5 2 5 本章小结1 7 第三章a n s y s l s d y n a 软件的基础应用1 8 3 1 建立模型18 3 1 1 建模的一般准则1 8 3 1 2 壳单元的特殊处理1 9 3 1 3 网格划分1 9 3 1 4 单元划分时注意事项19 3 2 一般载荷选项1 9 3 2 1 刚体1 9 3 2 2p a r t 的定义1 9 3 2 3 组元2 0 3 3 施加载荷2 0 3 3 1 数据曲线2 0 3 3 2 使用材料模型数据曲线2 0 3 3 3 使用载荷数据曲线2 l 3 4 约束和初始条件2 1 3 5 接触的定义2 l 3 5 1 定义接触类型2 1 3 5 2 定义接触实体2 2 3 6 质量缩放2 2 3 7 求解过程2 3 3 8 本章小结2 4 第四章3 0 x 3 m m 焊管成型过程的有限元分析2 5 4 1 单半径边缘弯曲变形法的孔型设计2 5 4 2 虚拟辊型的设计2 6 4 3 建立有限元模型2 8 4 3 1 协调单位的确定2 8 4 3 2 选择材料模型2 8 4 3 3 定义单元类型2 8 4 4 约束和初始条件2 9 4 5 求解及后处理2 9 4 6 本章小结3 2 第五章2 1 9 x 7 m m 焊管成型过程的有限元分析3 3 5 1 双半径弯曲成型法3 3 5 2 轧辊孔型设计3 3 5 3 虚拟辊型的设计3 5 5 4 有限元仿真分析3 7 5 5 本章小结4 1 第六章6 l o x l6 m m 焊管成型过程的有限元分析4 2 6 1 轧辊孔型设计4 2 6 2 虚拟辊型的设计4 4 6 3 有限元仿真分析4 5 6 4 本章小结5 4 结论5 5 参考文献5 6 发表论文和科研情况说明5 9 致谢6 0 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近年来，直缝焊管由于成品率高、价格低且性能逐渐提高，在工业生产中 使用直缝焊管代替无缝焊管的越来越多。目前国内多数焊管企业只能生产中小 口径的焊管。由于国外公司对我国实行技术保密只卖设备不卖技术，目前国内 的大口径焊管生产企业仍不能自主开发相应的焊管生产工艺与设计轧辊。新工 艺与新产品的开发仍依赖于国外公司。开展焊管生产工艺与轧辊设计的研究， 可以提高我国焊管的生产技术水平和国际竞争力，适应国民经济发展的要求。 焊管成型方法主要包括连续辊式成型和排辊成型，目前国际上较为先进的 是柔性成型。连续辊式成型的优点是成型效果好，不足之处是轧辊通用性差、 消耗大，备辊量高，生产成本高。排辊成型的优点是通用性好，但是成型效果 差。研究工作表明，采用排辊成型多数只能生产薄壁钢管，而且容易产生失稳 现象。柔性成型属于一种混合成型方法，兼有排辊成型通用性好的优点，也具 备连续辊式成型质量高的优点，其不足在于对轧辊加工精度要求高，结构调整 的控制精度高。目前此项技术已经在国内引进的大口径焊管轧机上采用，国内 目前还不具备生产采用柔性成型方法的大口径焊管轧机的能力。 1 2 焊管生产的一般工艺过程 焊管生产在钢管生产中占有重要地位，国外工业国家的焊管产量一般要占 钢管比重的6 0 - - - , 7 0 ，而现代焊管技术正向提高管坯质量、发展成型技术、控 制焊接工艺、强化焊缝处理、完善在线检测手段的方向发展心1 。 1 2 1 焊管的定义及工艺特点 焊管就是将钢板或带钢卷成管筒状，然后将接缝焊合而成的钢管。其基本 工序为坯料准备一成型一焊接一精整一检验一包装入库。焊管之所以有巨大的 发展前景，主要是与其产品生产的工艺特点分不开的。其主要特点有： ( 1 ) 产品精度高，尤其是壁厚精度。 ( 2 ) 主体设备简单，占地小。 ( 3 ) 生产上可以连续化作业，甚至“无头轧制”。 ( 4 ) 生产灵活，机组的产品范围宽1 。 第一章绪论 1 2 2 焊管的分类 焊管生产可以生产外径达4 m 左右、壁厚在4 0 m m 上下的大口径管。与热轧 无缝管相比，焊管的壁厚系数d s 相对较大，一般d s = s - 一1 0 0 。焊管生产与无 缝管生产在钢管生产领域竞争一直是激烈的，竞争的焦点集中在两点上，一是 产品质量；二是经济效益。焊管在大口径、薄壁、极薄壁、高精度钢管的生产 上占有一定的优势，其分类见图卜1 。 电阻焊( 连续辊式成型) 一ld = o 8 - - 1 4 o m m 广d = 2 1 7 - i 1 4 3 胁 炉焊( 热状态蓬续辊式成型) 一l s = 1 9 - 8 6 m m 自动焊接 1 3 直缝焊管的成型 d = 3 0 0 - - - , 4 0 0 0 m m s = 4 5 2 5 4 m m d = 4 0 0 - 1 4 0 0 m m s = 6 0 2 5 4 m m d = 4 0 0 - - - - 1 2 0 0 m m s = 6 0 2 2 2 m m d = 4 0 0 - - 1 2 0 0 皿t l t t s = 6 o - - 2 2 2 m m 辊式恻o o 1 2 0 0 胁 ls = 6 0 2 2 2 m m 直缝电焊钢管以带钢为原料，通过一组成型机架连续成型为管状，然后用 电阻加热或感应加热使带钢边缘部位处于熔融状态，在压力的作用下将接缝焊 合而得到钢管。它能生产的产品最大为 4 0 0 m m ) 。 3 立辊组成型法：在纵向由一组立辊对成型过程的变形加以约束，它是一 种兼容了阶段成型和排辊成型特点的成型法，其特点是： ( 1 ) 轧辊对带钢成型中纵向的拉伸作用小，使边部拉伸处于最小状态。 ( 2 ) 立辊组可以用来成型各种规格的管材而不必换辊，共用性好。 ( 3 ) 立辊组均为被动辊，摩擦消耗小，故成型所需功率小u 2 。h 1 。 1 3 2 成型质量的控制 将如图卜8 的管坯弯曲成管筒状，当前端形成圆形时，后端仍为平面，因 而带钢前端形成的圆断面将与垂直于带钢纵长的平面倾斜一个角度a 。为了使 带钢由平面连续成型为圆管状，带钢管坯的边缘在成型过程中就受到了拉伸作 用。成型变形区l 越长，则a 就越小，边缘的拉伸变形也就越小。反之带钢边 缘的拉伸变形就越大。当拉伸应力很大或拉伸变形很大时，在外力消除后变形 不能全部消除，以致于产生较大的残余变形，成型后的管筒就会在边缘处产生 波浪弯，从而影响到焊缝质量。因此我们在制定成型工艺时，首先应考虑带钢 边缘在成型过程中产生最小的拉伸，不至于产生残余变形弘埔。 图卜8 带钢弯曲成型示意图 1 4 国内外研究现状分析 对成型过程的分析方法目前主流有：c a d 法和有限元法。 c a d 法：随着科学技术的不断进步，计算机辅助设计给我们对焊管的研究 提供了一种有效的方法，这就是焊管成型c a d 法。 5 第一章绪论 有限元法：目前很多国家的学者们正在作这方面的工作，并取得了一定的 进展。 在成型工艺方面，目前大中口径直缝焊管所采用的主要有u o e 成型工艺、 r b e 辊弯式成型工艺、p f p 成型工艺或c 成型工艺、h u m e t a l 成型工艺和排辊 成型工艺n 旷纠。 1 u o e 成型工艺 u o e 成型工艺是以钢板为原料，通过纵边预弯、u 成型及o 成型工序，将 钢板变成圆形管筒( 图卜9 ) 。 f1 i1 一一孽一 弯边机 u 成型0 成型 图1 - 9u 、0 成型过程示意 2 r b e 辊弯式成型工艺 r b e 辊弯式成型工艺是用三辊式或四辊式卷板机将钢板卷制成圆形管筒， 如图i - 1 0 所示。 q 四辊辊弯 三辊辊弯 后弯 图i - 1 0 辊弯式成型工艺示意图 3 h u m e t a l 成型工艺( 如图卜1 1 ) 。 4 p f p 成型工艺或c 成型工艺( 如图卜1 2 ) 。 锏板口畏入辊弯前半张钢板钳口松开 、弘移影。 嚷入后半张钢板辊弯后半张钢板 钳口松开，抽出芯棒 图卜1 1h u m e t a l 成型j ：艺过程图 6 c i 成型 c t 成型 图卜1 2p f p 成型r 艺图 第一章绪论 5 排辊成型工艺 排辊成型工艺是采用局部连续弯曲变形，因此排辊成型的弯曲力很小，设 备的重量减轻许多，从而大大降低造价。 排辊成型后的直缝埋弧焊管经机械扩径后，不仅使其尺寸精度进一步提 高，而且使管坯内部残余应力得到一定程度的消除。 排辊成型机组在更换产品规格时仅需作少量调整及换辊，工具用量少， 成本低。同时，换辊及调整时间很短。 排辊成型用的是连续渐次变形，将变形力“化整为零”，此所需的设备变 形力小，设备重量轻乜7 q 引。 1 5 目前国内外研究所存在的问题 目前国内外对管坯的变形状态和建立的数学模型进行了比较全面的阐述， 对焊管的焊接过程也同时进行了比较深入的研究。整体的分析方法并不能得到 各点的应力、应变，原因就是因为并没有考虑局部影响。实验方法建立的物理 模型并不完整，只是近似而已。古恩的研究方法在将平断面假说应用到管坯成 型过程是不合适的，平断面假设将会导致管坯成型中纵向变形不准确。平断面 假设依据圣维南原理只适用于接触变形区中的应力波及不到、远离外载荷的地 方。蔡松庆等人的研究中从结果可以看出，应用有限元数值方法，管坯的成型 及应变接近实际，但由于是简单轧制的模拟，应力及外载荷和实际相差甚远。 运用有限条法的刘才、周瑛、韩志武的研究方法，虽然计算量降低了，但导致 精度受到影响。另外他们的研究中采用了单元的板壳划分假设，这样的话就忽 略管坯沿轧制方向的运动、管坯内的剪应变和触区以外的变形。最终只是似模 拟管坯成型过程，不能反映真实成型阳4 。3 8 1 。 直缝焊管理论上属于弹塑性大变形和接触非线性问题，即使采用有限元法 也面临许多困难，目前国内对焊管完整成型过程的研究工作还较少。 1 6 本文的研究内容 本课题研究的目的是采用有限元法模拟直缝焊管的成型过程，研究工艺参 数对焊管成型过程的影响、确定轧机设计的力能参数，为焊管轧机设计奠定基 础。通过研究焊管成型过程，为成型工艺设计和轧辊设计提供依据，用基于数 值模拟的焊管成型工艺设计和轧辊设计方法替代经验设计方法，合理设计轧辊 孔型，优化成型工艺，提高我国直缝焊管生产技术水平。 7 第一章绪论 1 7 本文研究的主要创新点： 本文研究的主要创新点包括： ( 1 ) 虚拟辊型的提出：根据辊花图及孔型图，通过a u t o c a d 确定主要的 辊型架次尺寸，初步设计确定虚拟辊型。 ( 2 ) 横速机的提出：通过研究发现板带各点在通过成型区域时速度并不 是均匀的，而是上下波动的。由此本文提出仅仅控制板带某一横截面的速度均 匀( 横速机) 。 ( 3 ) 将轧辊视为刚体处理，轧辊直接选用s h e ll1 6 3 单元，在定义轧辊材 料时，直接约束轧辊的五个自由度，不必再定义局部坐标系和施加约束，在修 改轧辊尺寸位置时节约大量时间，适合早期的大量研发模拟过程。 ( 4 ) 载荷的加载完全采用部件节点组件c o m p o n e n t 及部件p a r t ，这样对于 需要大量修改的轧辊来说，载荷只需要加载一次，在设计轧辊时节省大量时间。 1 8 本章小结 本章介绍了焊管生产的一般工艺过程、直缝焊管的成型及成型质量控制， 分析了国内外研究现状及所存在的问题，最后给出本论文的主要研究内容。 8 第二章轧制力能参数 第二章轧制力能参数 2 1 现代轧制理论研究的发展背景 轧制过程的基本理论研究是建立在金属塑性加工物理学与工程塑性加工 力学的基础之上的。因为影响轧制过程的因素特别复杂，需要进行一定的假设 与简化，只要我们正确运用工程近似计算方法，轧制过程的计算精度还是足够 的。轧制理论的发展可分为以下几个阶段： ( 1 ) 2 0 世纪4 0 年代到5 0 年代不能应用的时代； ( 2 ) 2 0 世纪5 0 年代到6 0 年代发展阶段； ( 3 ) 2 0 世纪6 0 年代以后应用阶段； ( 4 ) 现代轧制理论的发展。 2 1 1 现代轧钢生产和轧制技术的发展 现代轧钢生产发展大体可分为两个阶段，5 0 年代到7 0 年代，轧钢生产的 发展趋势是大型化、高速化，连续化；7 0 年代之后，轧钢生产主要是向着提高 产品质量、降低消耗、优化轧制过程、开发新钢材、新品种的方向发展口引。 2 1 2 现代轧制理论的研究任务 现代轧制理论的发展带有鲜明的时代烙印，轧制理论近年来已经向应用理 论的方向发展。其特征如下：( 1 ) 不断的提高产品的高技术含量与附加值；( 2 ) 通过学科的交叉，不断促进新的工艺、新的技术开发；( 3 ) 利用数值模拟，提 高轧制理论的水平。 用以工程法为核心的传统轧制理论来解决上述问题是极为困难或者几乎 是不可能的。而以电子计算机为工具，以现代数值分析方法为特征的一些现代 轧制理论新方法在试图解决上述问题的过程中逐渐发展起来，一套有别于传统 理论、优于传统方法的新的解法体系正在形成4 0 。例。 2 2 基本概念 1 弹性变形与塑性变形 物体在外力或内力作用下产生变形，当去掉使物体发生变形的力后，变形 即消失，此种变形称为弹性变形。在弹性变形的同时，还会发生体积的改变。 如果体积不发生改变，则横向压缩率与纵向延伸率之比( 泊松比) 应为1 2 ， 9 第二章轧制力能参数 但实际测得一般物体的泊松比小于1 2 。 当使物体发生变形的力消失之后，物体仍不能恢复原来的形状，所保留下 来的变形称为塑性变形。 一个物体受力后，首先是发生弹性变形，而后随着外力增大到一定值之后， 便由弹性变形过渡到塑性变形。所以，在塑性变形中一定有弹性变形存在h 引。 2 应力状态 变形物体内原子被迫偏离平衡位置，则该物体便出现内力和应力。所谓物 体处于应力状态，就是物体内的原子被迫偏离其平衡位置的状态。物体内各点 产生屈服或断裂，都和该点应力状态有关。 3 体积不变条件与最小阻力定律 体积不变条件( 或称体积不变定律) 是指物体的体积在塑性变形中为一常 数( 泊松比为1 2 ) 。 实际上，物体在塑性变形过程中体积会有微小的变化。这是由于通过塑性 变形会使物体密度增加或减小( 钢锭经过轧制，组织变得致密使密度增加；热 轧过的金属再进行冷轧，由于晶体间及晶体内的破坏增加了疏松程度，因而密 度略有减小) 。此外，在弹性变形时，体积亦略有减小。总之，上述体积的变 化是微小的，在实际计算时可认为是不变的。体积不变定律在压力加工中得到 广泛应用，是计算轧制前后尺寸参数的基本依据。 最小阻力定律，是指物体在变形过程中，当质点有向各方向移动可能时， 物体质点将向着阻力最小方向移动。 在平辊上轧制钢板时，由于沿辊身方向存在摩擦阻力，轧件高度方向又受 到轧辊的限制，因而轧件主要是沿阻力最小的轧制方向伸长，在宽度方向移动 很小“5 q 。 2 3 轧制过程基本参数 1 简单轧制过程 在一般的轧制过程中，轧件只是在一对工作辊中受到压力而产生塑性变 形。为了便于研究，一般都以简单的( 即理想的) 轧制过程做为研究的开端。具 有下列条件的轧制过程称为简单轧制过程：( 1 ) 两个轧辊都驱动：( 2 ) 两个轧辊 直径相等；( 3 ) 两个轧辊转速相同；( 4 ) 被轧金属作等速运动；( 5 ) 被轧金属上 除由轧辊施加的力以外，无任何其它作用力；( 6 ) 被轧金属的机械性质是均匀 的。然而，在轧制时，要想得到理想的轧制过程是很难办到的1 。 2 轧制过程变形区及其参数 变形区是指轧件在轧制过程中直接与轧辊相接触而发生变形的那个区域。 其基本参数为：d 、r 一轧辊直径、半径，m m 。 3 轧制过程变形系数 1 0 第二章轧制力能参数 工件在轧制时要发生塑性变形，工件三个方向尺寸都要发生变化。高度要 由原来的j i l 。减到h 。， n = h 。lh o ，r l 为工件压下系数，是工件高度方向的相对变 形。宽度由原来的6 0 增到2 j l ，b = 6 1 a o ，b 为工件宽展系数，是工件宽度方向 的相对变形。工件长度由原来的厶增到厶，入= l , l o ，入为延伸系数，是长度 方向的相对变形。变形系数有如下关系： h ob ol o = h l6 l 厶 ( 2 一1 ) 或 每 每木丢卅 浯2 ， r lb 入= i( 2 - 3 ) 以磊表示轧件在轧前的横断面积( b oh 。) ，e 为轧后的横断面积( 6 l 啊) ，则 生：墨：名( 2 4 ) 厶e 由上式可见，延伸系数亦等于轧制前后轧件横断面积之比，且延伸系数总 是大于l 。如轧制n 个道次，则总延伸系数为各道次延伸系数的乘积或对数和。 i f 0 = 硅= a 木五以 ( 2 5 ) l i l 如= 1 1 1 a + 1 1 l 五+ + l i l 以 ( 2 6 ) 4 绝对压下量与相对压下量 工件高度方向的变形量即j l = h o 一啊，是通过绝对压下量来表示的。而相 对压下量是绝对压下量和工件原来高度的比值。用符号s 表示，即 占：丝：垒! 二垒! x 1 0 0 ( 2 7 )占= = 二i u u w o二一i ， j l i o 若无宽展时，则 s ：丝= 刍：l 一堕：1 一三( 2 8 ) h oh o 名 或名= ( 2 9 ) 在轧制时，相对变形沿接触弧是变化的，变形区中任意断面上的相对变形( 如 图) 为 g 。：墅尘 ( 2 1 0 ) “ 式中矗，一变形区中任意断面上轧件的高度 第二章轧制力能参数 图2 1 平均爻彤程度- u 半均交彤速度 变形区中平均变形程度g 。为 s 。= 亨f 垒生主： 垒三出 ( 2 一- ) 把接触弧看作抛物线时，变形区任意断面上轧件之高度为 ，：j i l l + 百a h 工2 ( 2 - 1 2 ) 将式2 1 2 代人式2 11 ，得 铲筹f ( 1 - 争出 ( 2 - 1 3 ) 2 面土【卜一如 蟛- 1 副 积分得 s 。：一2 a h ：一2 s ( 2 1 4 ) s m2 j i 2 j s 蟛一 某变形瞬间的真实变形程度通过相对变形不能确切表示。真实变形程度可 如下表示：变形的过程中，如工件高度h o 经过很多个中间数值逐渐变到j i l i ，则 由h 。到h ，的终了变形程度可以看成是各个阶段相对变形的总和，即 或 ，：一l i m 争丝( 2 15 ) i 舢i - - * + 0 3 0 智h f ，：一f i - 盟：l n h _ o ( 2 16 ) l h ，h l ，：l n 堕：l n 上：l n 上：一l n ( 卜s ) h lh o z x h 1 一占 、 7 1 2 第二章轧制力能参数 ：占+ + + + + ( 2 一l7 )= 占+ + + + + l 乙一上， 工件的真实变形程度可通过用对数表示的变形来反映。真实的变形在连续 变形过程中具有可加性，相对变形并不具有可加性。真实的平均变形程度可进 一步表示为 铲h 志( 2 - 1 8 ) 综上所述，变形程度有四种表示方法( 占、占肼、r 、r m ) ，应用在不同的场合。 5 变形速度 变形速度是指单位时间内的相对变形量，即相对变形( 变形程度) 对时间 的导数，以u 或s 表示 ：尘，dsu ：塑 ( 2 1 9 ) = 一，= 一 l z l 了， d th 所以 甜= i d h 宰瓦1 = i 1 宰瓦d h ( 2 - 2 0 )，ld f，l口f _ - d h = ，。为线压缩速度，锻压时，式2 - 1 9 也可表示为 d t “：堕，1 s( 2 2 1 ) h 式中h 一变形物体的瞬时高度。 轧制时，在接触弧区间内，变形速度是变化的。变形区中离轧辊连心线为 x 的任意断面上的变形速度如图所示。根据式2 2 1 可写成 图2 2 平均变形程度与平均变形速度 1 3 第二章轧制力能参数 驴等( 2 - 2 2 ) 式中 v y 一垂直方向的压下速度。 由于轧制条件和变形区摩擦条件的不同，变形速度平均值的计算方法亦不 同。根据滑动理论，可认为变形区中轧件和轧辊之间存在着滑动，处于滑动摩 擦条件下。当忽略宽展时，则 匕= u 惫- c ：o s y = v l 惫 陋2 3 ， 驴u 以蔗 心屯3 ) 式中 以中性面上轧件厚度； j l l 一轧件出口厚度。 b 刮。t a i l 缈刮l 鲁t a i l 缈 ( 2 - 2 4 ) 将式2 2 4 代入式2 - 2 3 ，得 盱2 v t 魄警 ( 2 _ 2 5 ) 式中 t a l l 伊= 轰( 2 - 2 6 ) 平均变形速度可按区域l 内的u ，的平均值来计算 铲沁出= 了v , 百a h ( 2 - 2 7 ) 粘着理论认为，变形区中轧件与轧辊之间没有相对滑动( 粘着) ，则接触弧 上各点轧件线速度与轧辊线速度相等，其垂直速度为 b2 v ts i n 矽 驴半= 再2 v 而rs i n e 而p 尚 ( 2 - 2 8 ) 即 驴吉r 南却 2 9 ) 积分得 “。= v ，r1 n 孕 ( 2 3 0 ) 1 一 一般认为，当l h 。 2 时，采用滑动理论式计算平均变形速度；当l h 。 p r e f e r e n c e ) 为“l s d y n ae x p lic it ”是很重要的。这样，菜单就被完全过滤成为显式动态的 输入选项。( 值得注意的是，p r e f e r e n c e 选项置为“l s d y n a e x p lici t ”并没有 激活l s - d y n a 求解。要做到这一点，就必须定义一个显式单元类型，例如 s h e l l l 6 3 。一旦设置好分析选项p r e f e r e n c e ，就可以像通常分析任何问题一样 建立模型： ( 1 ) 定义单元类型和实常数。 ( 2 ) 定义材料模型。 ( 3 ) 定义几何模型。 ( 4 ) 划分网格。 ( 5 ) 定义接触表面。 1 8 第三章a n s y s l s d y n a 软件的理论应用 3 1 2 壳单元的特殊处理 用壳单元对刚性体建模时必须很小心。自动点一面接触( a n t s ) 、自动单 面接触( a s s c ) 、自动面一面接触( a s t s ) 和单面接触的定义，都必须考虑确 定接触表面和搜索深度接触算法的壳体厚度。因此，刚性体壳单元的厚度要符 合实际，厚度太小将导致接触丢失，厚度太大将导致批处理算法速度的降低。 3 1 3 网格划分 建立实体模型后，就可以用节点和单元对其进行网格划分。定义单元属性， 就是要事先指定单元类型，实常数和材料特性来用于下一步的网格划分。网格 控制就是指定划分网格时单元的大小和形状。 3 1 4 单元划分时注意事项 避免使用小的单元，以免缩小时间步长。如果要用，则同时使用质量缩放。 减少使用三角形四面体棱柱单元。避免锐角单元与翘曲的壳单元，否则会降 低计算精度。在需要沙漏控制的地方使用全积分单元。全积分六面体单元可能 产生体积锁定( 由于泊松比达到0 5 ) 和剪切锁定( 例如，简支梁的弯曲) 。 3 2 一般载荷选项 3 2 1 刚体 l s d y n a 程序允许用户将有限元模型中相对刚硬的部分定义为刚体( r a g i d b o d y ) ，这样可以大大减少显式分析所用的时间。a n s y s l s d y n a 中将刚性体定 义为一种材料模型。定义了刚体之后，刚体内所有节点的自由度都耦合到刚性 体的质心上，因此不论刚体中包含多少节点，刚性体仅有6 个自由度( 可参照 刚体力学) 。 3 2 2p a r t 的定义 部件p a r t 是显式分析中一个特别重要的概念，一个部件p a r t 就是指具有 相同的单元类型、相同的实常数与相同的材料号的一组单元组成的一个集合。 每个部件p a r t 被指定了一个p a r tid 号，可以被某些显式分析命令引用。 从顺序编排所选单元建立p a r t 号。如果在单元编排中改变单元类型、实常 数和材料号中的任何一个，将给那组单元定义下一个p a r t 号。 e d p a r t ，c r e a t e 可以创建新的p a r t 号。可以用e d p a r t ，l i s t 命令列表 表示这些p a r t 。这个表显示了在建立或修改时p a r t 的状态。( e d p a r t ，c r e a t e ) 如果e d p a r t ，c r e a t e 命令重复使用，则p a r t 表被覆盖。为了得到在修改或增 1 9 第三章a n s y s l s d y n a 软件的理论应用 加模型后的实际p a r t 表，执行e d p a r t ，u p d a t e 命令。它可以扩展已经存在的 p a r t 表而不用改变它的顺序，并且可以向已经存在的由相同的单元类型、实常 数和材料号构成的部件中增加单元。单元类型、实常数和材料号相同的任何 p a r t 未被任何所选择单元参考时，则该p a r t 不可用。很明显的它将在p a r t 表的 第五列上为零值。如果预先定义的p a r t 相关命令与一个无用的p a r t 有关，那么 执行s o l v e 命令或e d w r i t e ，a n s y s 几s d y n a b o t h 命令时将有一个警告。 3 2 3 组元 组元( c o m p o n e n t ) 是a n s y s 几s d y n a 建立有限元模型过程中一个很重要 的概念，与载荷的加载、接触对的定义等都有密切关系。某些对象实体( 如几 何实体、节点、单元) 的集合就是所谓的组元。在显式有限元分析中，有些操 作是针对已经定义的组元进行的。当我们要给有限元模型的一部分节点或单元 施加载荷时，首先需要确定选择了需要加载的节点或单元，并将其命名为一个 节点组元或单元组元，最后再将载荷加到这个定义的组元上。 对于刚性体，载荷一般都施加到p a r t 号上，而不是c o m p o n e n t 上。这是因 为当使用命令e d m p ，r i g i d ，m a t 定义刚性体时已经包含有一系列节点和单元。 3 3 施加载荷 一旦定义好c o m p o n e n t 和数组参数，就可以给建立的模型加载( e d l o a d 命 令) ，可以选择增加载荷( e d l o a d 中a d d 标号) 。 3 3 1 数据曲线 用e d c u r v e 命令定义的数据曲线广泛应用予a n s y s l s d y n a 中。它们可以 用来定义与显式动态材料模型有关的材料数据曲线( 例如，应力一应变) 和载 荷数据曲线( 力一偏转) 。它还可以定义时间载荷曲线( 力，位移，速度等) 。 这些载荷曲线可以用e d l o a d 命令输入。 3 3 2 使用材料模型数据曲线 某些材料模型( 例如，t b ，p l a w 或t b ，h o n e y ) 要求指定材料特性数据， 它们可能是有效应变速率、塑性应变或体积应变的函数。对于这些数据，在用 数据表 t b d a t a 命令定义材料特性之前，需用e d c u r v e 命令定义特性曲线。 在刚性体和压延筋接触问题中，也采用数据曲线来定义变形特性。 与对c o m p o n e n t 加载相类似，数据曲线组合成数组参数，然后与特定的曲 线参考号相联系，这个参考号可用于指定的材料模型( p l a w ，h o n e y ，等) 或 接触类型( r n t r ，r o t r ) 和压延筋。定义数据曲线可以分为以下几个步骤： 2 0 第二章a n s y s l s d y n a 软件的理论应用 1 定义一个包含材料或摩擦力特性横坐标的数组参数( 例如，有效塑性应变，有 效应变率，位移等) 。 2 定义第二个数组参数，包含材料特性或摩擦力的纵坐标值。( 例如，初始屈 服应力，弹性模量，力等) 。 3 定义数据曲线( e d c u r v e ) 。选择一个数据曲线i d 号，产生数据表 t b d a t a 时将采用这个数据曲线i d 号来将这些数据与特定的材料特性相联系。 3 3 3 使用载荷数据曲线 除了用于特定材料模型外，数据曲线还可以用来定义与时间有关的载荷。 除了第一个数组参数必须包括时间值，第二个数组参数必须包括相应的载荷值 外，定义载荷曲线的步骤和上述材料数据曲线一样。在用e d c u r v e 命令定义 载荷曲线后，就可以用e d l o a d 命令输入相应的载荷曲线参考号( l c i d ) 。 3 4 约束和初始条件 在开始求解之前，需要给模型施加约束。另外，还可能给运动物体设定初 始速度。在瞬动态模拟中