專利名稱：一種模擬型鋼切深孔軋制過程的網(wǎng)格生成方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及有限元工程分析的前處理領域，尤其涉及一種模擬型鋼切深孔軋制過 程的網(wǎng)格生成方法。
背景技術(shù)：
由于型鋼結(jié)構(gòu)的特殊性，在軋制生產(chǎn)過程中需要采用切深孔對鋼坯進行不均勻壓 下變形。鋼坯變形、受力過程復雜，為了對該過程進行準確了解和掌握，并能夠精確控制軋 件尺寸規(guī)格，需要借助有限元模擬的方法。對于鋼軌軋制過程的模擬，由于其復雜的變形過 程，因此需要建立三維有限元模型進行模擬，軋件采用八結(jié)點六面體等參考單元進行劃分。 有限元網(wǎng)格生成是有限元分析的前提條件，它將物體劃分為有限個單元，單元間通過有限 個結(jié)點相互連接。在進行有限元分析時，有限元網(wǎng)格的單元可看作是對實際物體的切分，單 元的變形將會體現(xiàn)所對應區(qū)域的金屬的流動和變形。對應實際變形大的地方，單元變形大， 實際變形小的地方，單元變形小。選擇適合的有限元網(wǎng)格不僅可以提高計算精度，而且可以 提高運算效率，可以起到事半功倍的作用。對于切深孔來說，軋件局部變形顯著，對應于變 形顯著地位置的網(wǎng)格單元在后續(xù)變形過程中容易發(fā)生網(wǎng)格畸變，造成計算的意外終止。
對比專利CN200510121431. 4 一種生成三維有限元網(wǎng)格的方法中介紹了一種生成 三維有限元網(wǎng)格的方法，首先在對象實體三維模型的表面進行二維面網(wǎng)格劃分，然后通過 投影輪廓線建立起來的實體基本網(wǎng)格來產(chǎn)生包圍三維模型的實體基本網(wǎng)格，最后將二維面 網(wǎng)格插入到實體基本網(wǎng)格之后，去除對象實體面網(wǎng)格之外的實體網(wǎng)格，得到最終需要的實 體三維網(wǎng)格。這種方法能夠有效獲得三維實體的網(wǎng)格劃分，但是二維網(wǎng)格劃分較為粗糙，且 不是針對軋制過程模擬進行網(wǎng)格劃分。根據(jù)其技術(shù)特征無法獲得滿足模擬切深孔軋制過程 的網(wǎng)格劃分。
在許秀梅、張文志的鋼軌萬能軋制過程的數(shù)值模擬，塑性工程學報，2005，12(4) 47-50的文獻I中，對鋼軌最后一道次精軋過程進行有限元模擬，采用不均勻的網(wǎng)格劃分方 法對軋件斷面進行網(wǎng)格劃分，軋件表面單元尺寸較小，軋件心部單元尺寸略大，所有斷面上 單元的X和I方向上的尺寸基本相當。從文中可以看出，作者將這種網(wǎng)格劃分方法應用于 軋制的最后一個道次，同論文中也可以看出該軋制道次壓下量非常小，軋件變形不顯著。采 用這樣的網(wǎng)格劃分方法，適用于變形較小的加工過程。
在王永明、周劍華、吳迪、王秉毅的60kg/m鋼軌在四輥萬能孔型中的變形研究，軋 鋼，2008,25(5) :26-28.文獻2中，采用有限元模擬方法對60kg/m鋼軌在四輥萬能孔型中 的變形進行了模擬研究，即鋼軌精軋過程中第一道次的軋制過程。文中作者采用較為均勻 的網(wǎng)格進行劃分，模擬對象為變形較為均勻的軋制過程，并不適用于不均勻、大變形軋制過 程的模擬。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種模擬型鋼切深孔軋制過程的網(wǎng)格生成方法，針對切深孔軋制過程提供一種快速、高質(zhì)量、有利于進行模擬分析的三維有限元網(wǎng)格劃分方法。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種模擬型鋼切深孔軋制過程的網(wǎng)格生成方法，包括以下步驟
101、在軋件初始形狀位于二維平面內(nèi)的輪廓邊界上進行種子點設置；
102、在二維平面內(nèi)進行網(wǎng)格劃分，生成四邊形單元；
103、將二維平面網(wǎng)格進行擴展，得到三維有限元網(wǎng)格，即采用八結(jié)點六面體網(wǎng)格 劃分的軋件模型。
進一步，本發(fā)明在步驟101之前還包括以下步驟獲得該軋制道次坯料的二維形 狀輪廓，并確認該二維形狀輪廓閉合。
進一步，本發(fā)明所述步驟101包括以下步驟
301、將坯料二維輪廓長度與切深孔孔型輪廓長度進行對比，二者之比作為基數(shù)， 將兩個輪廓相對應地劃分為若干區(qū)域，對應區(qū)域長度之比與基數(shù)進行比較，小于基數(shù)的即 是變形顯著的區(qū)域，大于基數(shù)的即是變形平緩的區(qū)域；
302、對于變形顯著的區(qū)域采用較細密的種子點，對于變形不顯著的區(qū)域采用稀疏 的種子點設定，介于兩者中間的變形區(qū)采用介于兩種稀疏程度中間的密度劃分種子點。
進一步，本發(fā)明所述步驟102包括以下步驟
401、二維平面內(nèi)的網(wǎng)格劃分采用MSC. Mentat自動計算網(wǎng)格的方法，一次生成一 個單元，從區(qū)域的邊界向內(nèi)部逐漸生成全域網(wǎng)格；
402、基于致密的種子點生成的網(wǎng)格較密，稀疏的種子點生成的網(wǎng)格較稀疏，兩者 間通過過渡區(qū)來獲得疏密網(wǎng)格的過渡；
403、調(diào)整除種子點外的單元節(jié)點位置，將小尺寸的單元沿壓下變形方向增加單元 長度，同時減小大尺寸單元沿壓下變形方向的單元大??；
404、最終獲得的有限元網(wǎng)格在沿壓下方向的單元尺寸基本相當；
405、調(diào)整輪廓內(nèi)部單元節(jié)點在寬展方向上的位置，使得在壓下方向位置相近的單 元沿寬展方向的尺寸基本相當，即在提高寬展方向上節(jié)點的均勻度，節(jié)點位置調(diào)整后，單元 內(nèi)角全部小于180°，最大限度地減少四邊形單元形狀的扭曲程度，提高網(wǎng)格質(zhì)量。
進一步，本發(fā)明所述103包括以下步驟
501、確定從二維平面向三維立體進行擴展時，三維空間擴展的單元移動量與二維 平面內(nèi)種子點設定時單元尺寸一致；
502、消除重復的或距離過度小的幾何或有限單元元素；
503、對三維平面內(nèi)的單元編號和節(jié)點編號，進行重新排列以消除編號的排列間 隔，沿逆時針方向進行單元結(jié)點或單元編號的排列。
現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是1)利用這種網(wǎng)格生成方法所獲得的三維有 限元網(wǎng)格能夠滿足型鋼切深孔軋制過程模擬的需要，根據(jù)壓力加工特點，對網(wǎng)格單元進行 具有針對性的劃分和調(diào)整，最終實現(xiàn)準確且成功模擬切深孔軋制過程的目的。2)采用這種 劃分方法獲得的軋件網(wǎng)格，能夠滿足三維彈塑性熱-機耦合模型模擬的需要，在保證具有 足夠的計算精度的同時，提高了計算的穩(wěn)定性。


圖1實施例1中坯料二維輪廓曲線；
圖2實施例1中種子點的設定；
圖3實施例1中初始二維平面有限元網(wǎng)格劃分；
圖4實施例1中優(yōu)化初始網(wǎng)格后得到的二維平面內(nèi)的有限元網(wǎng)格劃分；
圖5實施例1中將二維平面網(wǎng)格進行三維擴展后得到的最終的有限元網(wǎng)格。
圖6實施例2中坯料二維輪廓曲線；
圖7實施例2中種子點的設定；
圖8實施例2中初始二維平面有限元網(wǎng)格劃分；
圖9實施例2中優(yōu)化初始網(wǎng)格后得到的二維平面內(nèi)的有限元網(wǎng)格劃分；
圖10實施例2中將二維平面網(wǎng)格進行三維擴展后得到的最終的有限元網(wǎng)格。
圖中1-坯料2-切深孔具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步說明
實施例1
見圖1 圖5，是鋼軌粗軋切深孔軋制過程的軋件有限元網(wǎng)格劃分
I)首先獲得所需模擬道次坯料的二維初始形狀，且保證該曲線閉合；
2)在坯料二維平面內(nèi)的輪廓邊界上進行種子點設置，變形量大的部位種子點密 集，每6_設置一個種子點，變形量小的部位種子點稀疏，每13_設置一個種子點，兩者中 間通過過渡區(qū)來獲得疏密網(wǎng)格的過渡，約為每IOmm設置一個種子點；
3) 二維平面內(nèi)的網(wǎng)格劃分采用MSC. Mentat自動計算網(wǎng)格的方法，一次生成一個 單元，從區(qū)域的邊界向內(nèi)部逐漸生成全域網(wǎng)格，由此生成的網(wǎng)格基于致密的種子點生成的 網(wǎng)格較密，稀疏的種子點生成的網(wǎng)格較稀疏，兩者間通過過渡區(qū)來獲得疏密網(wǎng)格的過渡；
4)調(diào)整除種子點外的單元節(jié)點位置，將小尺寸的單元沿壓下變形方向增加單元長 度，同時減小大尺寸單元沿壓下變形方向的單元大小，最終獲得的有限元網(wǎng)格在沿壓下方 向的單元尺寸基本相當，約為12mm 14mm，調(diào)整輪廓內(nèi)部節(jié)點在寬展方向上的位置，調(diào)整 后單元尺寸約為7_ 9_，最大限度地減少單元形狀的扭曲程度，提高網(wǎng)格質(zhì)量；
5)將二維平面網(wǎng)格進行擴展，以IOmm為單位進行擴展，得到三維有限元網(wǎng)格，即 采用八結(jié)點六面體網(wǎng)格劃分的軋件模型。消除重復的或距離過度小的幾何或有限單元元 素。對三維平面內(nèi)的單元編號和節(jié)點編號，進行重新排列以消除編號的排列間隔，沿逆時針 方向進行單元結(jié)點或單元編號的排列。
實施例2
見圖6 圖10，球扁鋼粗軋切深孔軋制過程的軋件有限元網(wǎng)格劃分
I)首先獲得所需模擬道次坯料的二維初始形狀，且保證該曲線閉合；
2)在坯料二維平面內(nèi)的輪廓邊界上進行種子點設置，變形量大的部位種子點密 集，每4_設置一個種子點，變形量小的部位種子點稀疏，每10_設置一個種子點，兩者中 間通過過渡區(qū)來獲得疏密網(wǎng)格的過渡，約為每7_設置一個種子點；
3) 二維平面內(nèi)的網(wǎng)格劃分采用MSC. Mentat自動計算網(wǎng)格的方法，一次生成一個 單元，從區(qū)域的邊界向內(nèi)部逐漸生成全域網(wǎng)格，由此生成的網(wǎng)格基于致密的種子點生成的網(wǎng)格較密，稀疏的種子點生成的網(wǎng)格較稀疏，兩者間通過過渡區(qū)來獲得疏密網(wǎng)格的過渡；
4)調(diào)整除種子點外的單元節(jié)點位置，將小尺寸的單元沿壓下變形方向增加單元長 度，同時減小大尺寸單元的單元大小。最終獲得的有限元網(wǎng)格在沿壓下方向的單元尺寸基 本相當，約為9mm 11mm。調(diào)整輪廓內(nèi)部節(jié)點在寬展方向上的位置，調(diào)整后單元尺寸約為 5mm 6_，最大限度地減少單元形狀的扭曲程度，提高網(wǎng)格質(zhì)量；
5)將二維平面網(wǎng)格進行擴展，以7mm為單位進行擴展，得到三維有限元網(wǎng)格，即采 用八結(jié)點六面體網(wǎng)格劃分的軋件模型。消除重復的或距離過度小的幾何或有限單元元素。 對三維平面內(nèi)的單元編號和節(jié)點編號，進行重新排列以消除編號的排列間隔，沿逆時針方 向進行單元結(jié)點或單元編號的排列。
權(quán)利要求
1.一種模擬型鋼切深孔軋制過程的網(wǎng)格生成方法，其特征在于，包括以下步驟101、在軋件初始形狀位于二維平面內(nèi)的輪廓邊界上進行種子點設置；102、在二維平面內(nèi)進行網(wǎng)格劃分，生成四邊形單元；103、將二維平面網(wǎng)格進行擴展，得到三維有限元網(wǎng)格，即采用八結(jié)點六面體網(wǎng)格劃分的軋件模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬型鋼切深孔軋制過程的網(wǎng)格生成方法，其特征在于，在步驟101之前還包括以下步驟獲得該軋制道次坯料的二維形狀輪廓，并確認該二維形狀輪廓閉合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬型鋼切深孔軋制過程的網(wǎng)格生成方法，其特征在于，所述步驟101包括以下步驟301、將坯料二維輪廓長度與切深孔孔型輪廓長度進行對比，二者之比作為基數(shù)，將兩個輪廓相對應地劃分為若干區(qū)域，對應區(qū)域長度之比與基數(shù)進行比較，小于基數(shù)的即是變形顯著的區(qū)域，大于基數(shù)的即是變形平緩的區(qū)域；302、對于變形顯著的區(qū)域采用較細密的種子點，對于變形不顯著的區(qū)域采用稀疏的種子點設定，介于兩者中間的變形區(qū)采用介于兩種稀疏程度中間的密度劃分種子點。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬型鋼切深孔軋制過程的網(wǎng)格生成方法，其特征在于，所述步驟102包括以下步驟401、二維平面內(nèi)的網(wǎng)格劃分采用MSC.Mentat自動計算網(wǎng)格的方法，一次生成一個單元，從區(qū)域的邊界向內(nèi)部逐漸生成全域網(wǎng)格；402、基于致密的種子點生成的網(wǎng)格較密，稀疏的種子點生成的網(wǎng)格較稀疏，兩者間通過過渡區(qū)來獲得疏密網(wǎng)格的過渡；403、調(diào)整除種子點外的單元節(jié)點位置，將小尺寸的單元沿壓下變形方向增加單元長度，同時減小大尺寸單元沿壓下變形方向的單元大??；404、最終獲得的有限元網(wǎng)格在沿壓下方向的單元尺寸基本相當；405、調(diào)整輪廓內(nèi)部單元節(jié)點在寬展方向上的位置，使得在壓下方向位置相近的單元沿寬展方向的尺寸基本相當，即在提高寬展方向上節(jié)點的均勻度，節(jié)點位置調(diào)整后，單元內(nèi)角全部小于180°，最大限度地減少四邊形單元形狀的扭曲程度，提高網(wǎng)格質(zhì)量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬型鋼切深孔軋制過程的網(wǎng)格生成方法，其特征在于，所述103包括以下步驟.501、確定從二維平面向三維立體進行擴展時，三維空間擴展的單元移動量與二維平面內(nèi)種子點設定時單元尺寸一致；.502、消除重復的或距離過度小的幾何或有限單元元素；.503、對三維平面內(nèi)的單元編號和節(jié)點編號，進行重新排列以消除編號的排列間隔，沿逆時針方向進行單元結(jié)點或單元編號的排列。
全文摘要
本發(fā)明涉及有限元工程分析的前處理領域，尤其涉及一種模擬型鋼切深孔軋制過程的網(wǎng)格生成方法，其特征在于，包括以下步驟101、在軋件初始形狀位于二維平面內(nèi)的輪廓邊界上進行種子點設置；102、在二維平面內(nèi)進行網(wǎng)格劃分，生成四邊形單元；103、將二維平面網(wǎng)格進行擴展，得到三維有限元網(wǎng)格，即采用八結(jié)點六面體網(wǎng)格劃分的軋件模型?，F(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是1)利用這種網(wǎng)格生成方法所獲得的三維有限元網(wǎng)格能夠滿足型鋼切深孔軋制過程模擬的需要，最終實現(xiàn)準確且成功模擬切深孔軋制過程的目的。2)采用這種劃分方法獲得的軋件網(wǎng)格，能夠滿足三維彈塑性熱-機耦合模型模擬的需要，保證足夠的計算精度，提高計算的穩(wěn)定性。
文檔編號G06F17/50GK103034745SQ20111029636
公開日2013年4月10日 申請日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者原思宇, 王軍生, 李廣龍, 高冰, 趙坦, 李文斌, 王旭, 王奎越, 費靜, 宋寶宇, 吳萌 申請人:鞍鋼股份有限公司