WB技术展示案例27：具有非线性网格自适应性的热轧结构钢分析

热轧是发生在材料再结晶温度以上的金属成形过程。存在许多类型的热轧工艺，包括结构形状轧制，其中组件通过轧辊以达到所需的形状和横截面。

结构钢是最常见的热轧材料。常用的结构钢形状有工字钢、H型钢、T型钢、U形梁、槽钢等。工字梁截面为工字形截面。截面的水平单元称为翼缘，竖向单元称为腹板。

热轧过程包括非稳态和稳态两个主要阶段。热轧过程的开始和结束代表非稳态阶段，其余过程代表稳态阶段。

在非稳态阶段，坯料(矩形钢棒)与辊子接触，并在通过辊子之前填充辊子之间的间隙。当坯料开始通过轧辊运动时，认为该过程处于稳定状态，直到坯料端面与轧辊接触。

虽然瞬态分析经常用于模拟热轧过程，但当动态效应不重要或瞬态分析可能需要过多的资源时，通常首选静态分析。这个例子说明了如何通过静态分析来模拟热轧过程的非稳态和稳态阶段。

静态分析分2个载荷步进行：第1步建立轧制过程，第2步进行热轧。

在第一个载荷步中，坯料向刚性辊子移动，以与辊子建立接触并填充辊子之间的间隙。为了建立轧制过程，坯料应部分填充辊子之间的间隙，以便当辊子开始旋转时，它们可以通过摩擦将坯料拉入。

在第二个载荷步中，辊子将坯料拉入并最终将矩形坯料成形为I型截面块。

矩形块通过一组滚子来获得I形梁，如下图所示：

使用两种类型的轧辊：

顶部和底部轧辊

水平圆柱形轧辊从顶部和底部拉伸坯料以增加其宽度并减小深度。这些轧辊用于控制工字形截面的法兰部分宽度，并通过刚性目标元素进行建模。

侧面轧辊

垂直圆柱形轧辊，两端带有小圆角。圆角的作用是确保材料流动顺畅。侧面轧辊从两侧拉伸坯料以形成工字形截面，并控制工字形腹板部分的宽度。与顶部和底部轧辊类似，侧面轧辊也通过刚性目标元素建模。

下面的图形表示该问题关于两个平面( XZ和YZ)对称：

为了减少建模和计算时间，只分析了模型的四分之一。

该模拟通过两个载荷步静态进行，其中非线性自适应区域作用于块体。在第一个载荷步中，块体被移向刚性滚轮以建立轧制过程。在第二个载荷步中，块体继续移动，以模拟由滚轮实施的热轧工艺。

当块体通过滚轮时，由于滚轮与块体之间的高摩擦作用，会发生显著变形。最终，整个块体通过滚轮形成工字形截面。然而，在此类大变形问题中，网格畸变现象较为常见，可能导致收敛困难甚至分析终止。

创建静力学分析模块

模型的几何结构由三个体组成：块体、顶部滚轮和侧部滚轮，均通过Design Modeler创建。其中，块体为实体，滚轮为具有0.01米厚度的表面体。下图显示了所有三个体的尺寸。

注意块体顶面两端均设有小圆角。这些圆角有助于与顶部滚轮建立接触。若缺少圆角，块体的尖锐棱角会导致局部应力奇异性，从而使分析发散。

基于结构的对称性，模拟中仅包含模型的四分之一。块体采用双线性各向同性硬化材料模型，顶部滚轮和侧部滚轮则被建模为刚体，厚度为10mm。

上滚轮和侧滚轮的材料为结构钢。

块体使用弹塑性行为的结构钢2，复 制一个结构钢，然后添加双线性硬化，然后设置屈服强度为70MPa，切线模量为2000MPa。

选择Block右侧6个面作为接触面，选择上滚轮作为目标面，target shell face设置为top，摩擦系数设置0.6mm，behavior选择asymmetric。

选择Block右侧3个面作为接触面，选择下滚轮3个面作为目标面，target shell face设置为top，摩擦系数设置0.6mm，behavior选择asymmetric。

选择block，添加method，选择Tetrahedrons

选择block，添加sizing,size选择100

选择下滚轮，添加sizing,size选择50

选择下滚轮，添加sizing,size选择50

仿真分2个载荷步进行。

2个载荷步的具体设置具体如下：

添加displacement，选择block上表面，第一步移动1500，第二步移动6000

添加Remote Displacement，选择上滚轮，Z轴转动自由，其余设置0.

添加Remote Displacement，选择上滚轮，Y轴转动自由，其余设置0.

添加Nonlinear Adaptive Region，选择Block,criterion选择Mesh,Check At选择Specified Recurrence Rate，Value设置为10。