塑性辊压成型的有限元仿真

塑性辊压成型又称冷弯成型，是工业中常用的金属制造与成型方式。是通过顺序配置的多道次成形轧辊，把金属工件不断进行变形，以制成特定形状。这种成型方式生产效率高，节约材料，增加产品强度，广泛应用于如汽车生产等工业部门。 Image 辊压成型的仿真也是常见的有限元分析类型。通过这种分析，可以预测工件的变形程度，承受的应力应变情况，以及所需要辊子的尺寸和运转速度。由于此类分析几乎涉及了结构计算的所有因素，如多载荷步，塑性非线性变形，各种类型的接触算法，刚体动力学，和各种实体与板壳单元。可以说是结构分析中最复杂，最难以收敛的模型之一。这不仅对求解器提出很高的要求，也对前后处理器也需要比较完善的功能。 通用工程仿真软件 WelSim，在结合强大的开源瞬态求解器OpenRadioss后，可以很好的模拟各种塑性成型等锻造过程。本文就从实际操作角度，演示如何进行滚动压铸成型的仿真分析。 分析步骤 1. 打开WelSim主界面，并设置单位。这里，我们设置kg-mm-s。 Image 2. 建立一个新的铝合金材料，并命名为myPlastic，设置的属性分别如下。 密度：2.7e-6 kg/mm3。杨氏模量：70 GPa。泊松比：0.33。 Johnson-Hook塑性属性，初始屈服应力：300 MPa。硬化常数: 360 MPa。硬化指数: 0.08。 Image 编辑完成材料参数后，关闭材料窗口。进行后续分析操作。 3.新建一个FEM项目工程，并在属性窗口中，设置为显式瞬态结构分析。 Image 4. 导入几何模型，如下图所示。 Image 底部有两个可转动辊轴，用于传送工件。上转辊用于下压工件。工件为方管结构，四角有倒角。方管的横截面如下图所示。 Image 对于3个圆柱形辊子，在属性窗口中设置为壳体结构，材料为结构钢，厚度保持1mm不变，积分点保持3个不变，同时将刚体选项设置为真。如下图所示， Image 对于受挤压成型的方管工件，定义为实体结构，并赋予在第2步创建的铝合金塑性材料。 Image 5. 网格划分。将最大单元尺寸设置为10mm。WelSim会自动根据几何类型进行划分单元。方管会使用实体单元网格划分。薄壁滚轴是使用壳单元划分。 Image 6. 添加接触。本算例中，需要添加3对接触对，其中两个无摩擦接触对，一个有摩擦接触对。第一个接触对是底部第一滚轴与方管的接触，设置为有摩擦，同时摩擦系数为0.9。之所以设置成有摩擦，是为了在滚轴转动时，摩擦力能将方管向一个方向传递。 Image 第二个接触对是底部第二滚轴与方管的接触，定义为无摩擦接触。如下图所示， Image 第三个接触对是顶部的压辊与方管的接触，同样定义为无摩擦接触。 Image 7. 在Study Settings节点中设置多载荷步分析。由于分析工况的需要，我们将载荷步设置为3步，每一个载荷步的结束时间分别是0.04s, 0.045s, 0.1s。将求解器设置OpenRadioss或者保持默认的自动选择求解器。WelSim在进行显式结构动力学计算时，会默认使用OpenRadioss求解器。 Image 8. 设置边界条件。这里要设置四个边界条件，用于完成整个分析中所需的约束与载荷。 8.1 对顶部的辊子设置位移边界条件。上辊在第一个时间步内匀速下压20mm, 并在之后的过程中保持在这个位置。 Image 8.2 对上辊设置约束边界条件。目的是防止上辊在接下来的计算中产生转动。因此，只允许Z方向和X轴方向运动。 Image 8.3 对底部两个辊子都施加约束边界条件。只允许以X轴方向的转动。 Image 8.4 对底部前端的辊子施加以X为轴的旋转角速度，用于传动方管。角速度的大小为200 rad/s，从第二个载荷步开始旋转辊子。 Image 9. 设置完成后，即可以点击求解按钮，进行计算。如果是在本地第一次使用WelSim和OpenRadioss的联合求解，还需要下载OpenRadioss求解器至本地，同时在WelSim的首选项中进行简单配置，输入OpenRadioss的目录地址。即可联立求解。 Image 10. 计算完成后，点击答案节点，会在表格与曲线窗口，显示整个时间历程下，各种能量和动能的分布。这些量包括，接触能量，外部做功，内能，动能，质量，和动量等。如下图所示。 Image 11. 还可以添加如应力、应变、位移等结果节点，评价后即可得到三维云图显示。当需要打开变型显示时，可以在三维显示属性窗口中，将显示变形属性设置为真。即可看到方管变形和位移后的状态。同时，表格和曲线窗口显示整个应变随时间变化的状况。 Image WelSim还支持快速生成动画，用户可以点击曲线窗口上的录像按钮，即可生成3D视图窗口中的动画文件。本算例的应力结果动画如下所示。 总结 本文通过一个实例，演示了如何建立塑性辊压模型，并得到计算结果。OpenRadioss被证明是一款功能强大的瞬态结构动力分析软件，通过WelSim便捷的前后处理能力，使得OpenRadioss的更加易于使用。WelSim在本例中，作为前后处理工具，快速生成包含复杂内容的求解文件，同时可以直接读取结果文件并显示，体现了和OpenRadioss求解器无缝整合的功能。 本文所用的几何文件和测试文件已经开源，并共享在 WelSim的官方测试库中，https://github.com/WelSimLLC/WelSimAutoTests。 WelSim与作者和OpenRadioss开发机构没有直接关系。这里引用OpenRadioss仅用作技术博客文章与软件使用的参考。