專利名稱：一種模擬型鋼切深孔軋制過程的網格生成方法
技術領域：
本發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 程的網格生成方法。
背景技術：
由于型鋼結構的特殊性，在軋制生產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，軋件采用八結點六面體等參考單元進行劃分。 有限元網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 個結點相互連接。在進行有限元分析時，有限元網格的單元可看作是對實際物體的切分，單 元的變形將會體現所對應區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 形顯著地位置的網格單元在后續變形過程中容易發生網格畸變，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格的方法中介紹了一種生成 三維有限元網格的方法，首先在對象實體三維模型的表面進行二維面網格劃分，然后通過 投影輪廓線建立起來的實體基本網格來產生包圍三維模型的實體基本網格，最后將二維面 網格插入到實體基本網格之后，去除對象實體面網格之外的實體網格，得到最終需要的實 體三維網格。這種方法能夠有效獲得三維實體的網格劃分，但是二維網格劃分較為粗糙，且 不是針對軋制過程模擬進行網格劃分。根據其技術特征無法獲得滿足模擬切深孔軋制過程 的網格劃分。
在許秀梅、張文志的鋼軌萬能軋制過程的數值模擬，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，采用不均勻的網格劃分方 法對軋件斷面進行網格劃分，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。發明內容
本發明的目的是提供一種模擬型鋼切深孔軋制過程的網格生成方法，針對切深孔軋制過程提供一種快速、高質量、有利于進行模擬分析的三維有限元網格劃分方法。
為解決上述技術問題，本發明的技術方案是
一種模擬型鋼切深孔軋制過程的網格生成方法，包括以下步驟
101、在軋件初始形狀位于二維平面內的輪廓邊界上進行種子點設置；
102、在二維平面內進行網格劃分，生成四邊形單元；
103、將二維平面網格進行擴展，得到三維有限元網格，即采用八結點六面體網格 劃分的軋件模型。
進一步，本發明在步驟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， 將兩個輪廓相對應地劃分為若干區域，對應區域長度之比與基數進行比較，小于基數的即 是變形顯著的區域，大于基數的即是變形平緩的區域；
302、對于變形顯著的區域采用較細密的種子點，對于變形不顯著的區域采用稀疏 的種子點設定，介于兩者中間的變形區采用介于兩種稀疏程度中間的密度劃分種子點。
進一步，本發明所述步驟102包括以下步驟
401、二維平面內的網格劃分采用MSC. Mentat自動計算網格的方法，一次生成一 個單元，從區域的邊界向內部逐漸生成全域網格；
402、基于致密的種子點生成的網格較密，稀疏的種子點生成的網格較稀疏，兩者 間通過過渡區來獲得疏密網格的過渡；
403、調整除種子點外的單元節點位置，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；
404、最終獲得的有限元網格在沿壓下方向的單元尺寸基本相當；
405、調整輪廓內部單元節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點的均勻度，節點位置調整后，單元 內角全部小于180°，最大限度地減少四邊形單元形狀的扭曲程度，提高網格質量。
進一步，本發明所述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、對三維平面內的單元編號和節點編號，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點或單元編號的排列。
現有技術相比，本發明的有益效果是1)利用這種網格生成方法所獲得的三維有 限元網格能夠滿足型鋼切深孔軋制過程模擬的需要，根據壓力加工特點，對網格單元進行 具有針對性的劃分和調整，最終實現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格劃分；
圖4實施例1中優化初始網格后得到的二維平面內的有限元網格劃分；
圖5實施例1中將二維平面網格進行三維擴展后得到的最終的有限元網格。
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格劃分；
圖9實施例2中優化初始網格后得到的二維平面內的有限元網格劃分；
圖10實施例2中將二維平面網格進行三維擴展后得到的最終的有限元網格。
圖中1-坯料2-切深孔具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
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 間通過過渡區來獲得疏密網格的過渡，約為每IOmm設置一個種子點；
3) 二維平面內的網格劃分采用MSC. Mentat自動計算網格的方法，一次生成一個 單元，從區域的邊界向內部逐漸生成全域網格，由此生成的網格基于致密的種子點生成的 網格較密，稀疏的種子點生成的網格較稀疏，兩者間通過過渡區來獲得疏密網格的過渡；
4)調整除種子點外的單元節點位置，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格在沿壓下方 向的單元尺寸基本相當，約為12mm 14mm，調整輪廓內部節點在寬展方向上的位置，調整 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，提高網格質量；
5)將二維平面網格進行擴展，以IOmm為單位進行擴展，得到三維有限元網格，即 采用八結點六面體網格劃分的軋件模型。消除重復的或距離過度小的幾何或有限單元元 素。對三維平面內的單元編號和節點編號，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 間通過過渡區來獲得疏密網格的過渡，約為每7_設置一個種子點；
3) 二維平面內的網格劃分采用MSC. Mentat自動計算網格的方法，一次生成一個 單元，從區域的邊界向內部逐漸生成全域網格，由此生成的網格基于致密的種子點生成的網格較密，稀疏的種子點生成的網格較稀疏，兩者間通過過渡區來獲得疏密網格的過渡；
4)調整除種子點外的單元節點位置，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格在沿壓下方向的單元尺寸基 本相當，約為9mm 11mm。調整輪廓內部節點在寬展方向上的位置，調整后單元尺寸約為 5mm 6_，最大限度地減少單元形狀的扭曲程度，提高網格質量；
5)將二維平面網格進行擴展，以7mm為單位進行擴展，得到三維有限元網格，即采 用八結點六面體網格劃分的軋件模型。消除重復的或距離過度小的幾何或有限單元元素。 對三維平面內的單元編號和節點編號，進行重新排列以消除編號的排列間隔，沿逆時針方 向進行單元結點或單元編號的排列。
權利要求
1.一種模擬型鋼切深孔軋制過程的網格生成方法，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的輪廓邊界上進行種子點設置；102、在二維平面內進行網格劃分，生成四邊形單元；103、將二維平面網格進行擴展，得到三維有限元網格，即采用八結點六面體網格劃分的軋件模型。
2.根據權利要求1所述的一種模擬型鋼切深孔軋制過程的網格生成方法，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.根據權利要求1所述的一種模擬型鋼切深孔軋制過程的網格生成方法，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，將兩個輪廓相對應地劃分為若干區域，對應區域長度之比與基數進行比較，小于基數的即是變形顯著的區域，大于基數的即是變形平緩的區域；302、對于變形顯著的區域采用較細密的種子點，對于變形不顯著的區域采用稀疏的種子點設定，介于兩者中間的變形區采用介于兩種稀疏程度中間的密度劃分種子點。
4.根據權利要求1所述的一種模擬型鋼切深孔軋制過程的網格生成方法，其特征在于，所述步驟102包括以下步驟401、二維平面內的網格劃分采用MSC.Mentat自動計算網格的方法，一次生成一個單元，從區域的邊界向內部逐漸生成全域網格；402、基于致密的種子點生成的網格較密，稀疏的種子點生成的網格較稀疏，兩者間通過過渡區來獲得疏密網格的過渡；403、調整除種子點外的單元節點位置，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；404、最終獲得的有限元網格在沿壓下方向的單元尺寸基本相當；405、調整輪廓內部單元節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點的均勻度，節點位置調整后，單元內角全部小于180°，最大限度地減少四邊形單元形狀的扭曲程度，提高網格質量。
5.根據權利要求1所述的一種模擬型鋼切深孔軋制過程的網格生成方法，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、對三維平面內的單元編號和節點編號，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點或單元編號的排列。
全文摘要
本發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的輪廓邊界上進行種子點設置；102、在二維平面內進行網格劃分，生成四邊形單元；103、將二維平面網格進行擴展，得到三維有限元網格，即采用八結點六面體網格劃分的軋件模型。現有技術相比，本發明的有益效果是1)利用這種網格生成方法所獲得的三維有限元網格能夠滿足型鋼切深孔軋制過程模擬的需要，最終實現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 優先權日2011年9月30日
發明者原思宇, 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