专利名称：一种模拟型钢切深孔轧制过程的网格生成方法
技术领域：
本发明涉及有限元工程分析的前处理领域，尤其涉及一种模拟型钢切深孔轧制过 程的网格生成方法。
背景技术：
由于型钢结构的特殊性，在轧制生产过程中需要采用切深孔对钢坯进行不均匀压 下变形。钢坯变形、受力过程复杂，为了对该过程进行准确了解和掌握，并能够精确控制轧 件尺寸规格，需要借助有限元模拟的方法。对于钢轨轧制过程的模拟，由于其复杂的变形过 程，因此需要建立三维有限元模型进行模拟，轧件采用八结点六面体等参考单元进行划分。 有限元网格生成是有限元分析的前提条件，它将物体划分为有限个单元，单元间通过有限 个结点相互连接。在进行有限元分析时，有限元网格的单元可看作是对实际物体的切分，单 元的变形将会体现所对应区域的金属的流动和变形。对应实际变形大的地方，单元变形大， 实际变形小的地方，单元变形小。选择适合的有限元网格不仅可以提高计算精度，而且可以 提高运算效率，可以起到事半功倍的作用。对于切深孔来说，轧件局部变形显著，对应于变 形显著地位置的网格单元在后续变形过程中容易发生网格畸变，造成计算的意外终止。
对比专利CN200510121431. 4 一种生成三维有限元网格的方法中介绍了一种生成 三维有限元网格的方法，首先在对象实体三维模型的表面进行二维面网格划分，然后通过 投影轮廓线建立起来的实体基本网格来产生包围三维模型的实体基本网格，最后将二维面 网格插入到实体基本网格之后，去除对象实体面网格之外的实体网格，得到最终需要的实 体三维网格。这种方法能够有效获得三维实体的网格划分，但是二维网格划分较为粗糙，且 不是针对轧制过程模拟进行网格划分。根据其技术特征无法获得满足模拟切深孔轧制过程 的网格划分。
在许秀梅、张文志的钢轨万能轧制过程的数值模拟，塑性工程学报，2005，12(4) 47-50的文献I中，对钢轨最后一道次精轧过程进行有限元模拟，采用不均匀的网格划分方 法对轧件断面进行网格划分，轧件表面单元尺寸较小，轧件心部单元尺寸略大，所有断面上 单元的X和I方向上的尺寸基本相当。从文中可以看出，作者将这种网格划分方法应用于 轧制的最后一个道次，同论文中也可以看出该轧制道次压下量非常小，轧件变形不显著。采 用这样的网格划分方法，适用于变形较小的加工过程。
在王永明、周剑华、吴迪、王秉毅的60kg/m钢轨在四辊万能孔型中的变形研究，轧 钢，2008,25(5) :26-28.文献2中，采用有限元模拟方法对60kg/m钢轨在四辊万能孔型中 的变形进行了模拟研究，即钢轨精轧过程中第一道次的轧制过程。文中作者采用较为均匀 的网格进行划分，模拟对象为变形较为均匀的轧制过程，并不适用于不均匀、大变形轧制过 程的模拟。发明内容
本发明的目的是提供一种模拟型钢切深孔轧制过程的网格生成方法，针对切深孔轧制过程提供一种快速、高质量、有利于进行模拟分析的三维有限元网格划分方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是
一种模拟型钢切深孔轧制过程的网格生成方法，包括以下步骤
101、在轧件初始形状位于二维平面内的轮廓边界上进行种子点设置；
102、在二维平面内进行网格划分，生成四边形单元；
103、将二维平面网格进行扩展，得到三维有限元网格，即采用八结点六面体网格 划分的轧件模型。
进一步，本发明在步骤101之前还包括以下步骤获得该轧制道次坯料的二维形 状轮廓，并确认该二维形状轮廓闭合。
进一步，本发明所述步骤101包括以下步骤
301、将坯料二维轮廓长度与切深孔孔型轮廓长度进行对比，二者之比作为基数， 将两个轮廓相对应地划分为若干区域，对应区域长度之比与基数进行比较，小于基数的即 是变形显著的区域，大于基数的即是变形平缓的区域；
302、对于变形显著的区域采用较细密的种子点，对于变形不显著的区域采用稀疏 的种子点设定，介于两者中间的变形区采用介于两种稀疏程度中间的密度划分种子点。
进一步，本发明所述步骤102包括以下步骤
401、二维平面内的网格划分采用MSC. Mentat自动计算网格的方法，一次生成一 个单元，从区域的边界向内部逐渐生成全域网格；
402、基于致密的种子点生成的网格较密，稀疏的种子点生成的网格较稀疏，两者 间通过过渡区来获得疏密网格的过渡；
403、调整除种子点外的单元节点位置，将小尺寸的单元沿压下变形方向增加单元 长度，同时减小大尺寸单元沿压下变形方向的单元大小；
404、最终获得的有限元网格在沿压下方向的单元尺寸基本相当；
405、调整轮廓内部单元节点在宽展方向上的位置，使得在压下方向位置相近的单 元沿宽展方向的尺寸基本相当，即在提高宽展方向上节点的均匀度，节点位置调整后，单元 内角全部小于180°，最大限度地减少四边形单元形状的扭曲程度，提高网格质量。
进一步，本发明所述103包括以下步骤
501、确定从二维平面向三维立体进行扩展时，三维空间扩展的单元移动量与二维 平面内种子点设定时单元尺寸一致；
502、消除重复的或距离过度小的几何或有限单元元素；
503、对三维平面内的单元编号和节点编号，进行重新排列以消除编号的排列间 隔，沿逆时针方向进行单元结点或单元编号的排列。
现有技术相比，本发明的有益效果是1)利用这种网格生成方法所获得的三维有 限元网格能够满足型钢切深孔轧制过程模拟的需要，根据压力加工特点，对网格单元进行 具有针对性的划分和调整，最终实现准确且成功模拟切深孔轧制过程的目的。2)采用这种 划分方法获得的轧件网格，能够满足三维弹塑性热-机耦合模型模拟的需要，在保证具有 足够的计算精度的同时，提高了计算的稳定性。
图1实施例1中坯料二维轮廓曲线；
图2实施例1中种子点的设定；
图3实施例1中初始二维平面有限元网格划分；
图4实施例1中优化初始网格后得到的二维平面内的有限元网格划分；
图5实施例1中将二维平面网格进行三维扩展后得到的最终的有限元网格。
图6实施例2中坯料二维轮廓曲线；
图7实施例2中种子点的设定；
图8实施例2中初始二维平面有限元网格划分；
图9实施例2中优化初始网格后得到的二维平面内的有限元网格划分；
图10实施例2中将二维平面网格进行三维扩展后得到的最终的有限元网格。
图中1-坯料2-切深孔具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步说明
实施例1
见图1 图5，是钢轨粗轧切深孔轧制过程的轧件有限元网格划分
I)首先获得所需模拟道次坯料的二维初始形状，且保证该曲线闭合；
2)在坯料二维平面内的轮廓边界上进行种子点设置，变形量大的部位种子点密 集，每6_设置一个种子点，变形量小的部位种子点稀疏，每13_设置一个种子点，两者中 间通过过渡区来获得疏密网格的过渡，约为每IOmm设置一个种子点；
3) 二维平面内的网格划分采用MSC. Mentat自动计算网格的方法，一次生成一个 单元，从区域的边界向内部逐渐生成全域网格，由此生成的网格基于致密的种子点生成的 网格较密，稀疏的种子点生成的网格较稀疏，两者间通过过渡区来获得疏密网格的过渡；
4)调整除种子点外的单元节点位置，将小尺寸的单元沿压下变形方向增加单元长 度，同时减小大尺寸单元沿压下变形方向的单元大小，最终获得的有限元网格在沿压下方 向的单元尺寸基本相当，约为12mm 14mm，调整轮廓内部节点在宽展方向上的位置，调整 后单元尺寸约为7_ 9_，最大限度地减少单元形状的扭曲程度，提高网格质量；
5)将二维平面网格进行扩展，以IOmm为单位进行扩展，得到三维有限元网格，即 采用八结点六面体网格划分的轧件模型。消除重复的或距离过度小的几何或有限单元元 素。对三维平面内的单元编号和节点编号，进行重新排列以消除编号的排列间隔，沿逆时针 方向进行单元结点或单元编号的排列。
实施例2
见图6 图10，球扁钢粗轧切深孔轧制过程的轧件有限元网格划分
I)首先获得所需模拟道次坯料的二维初始形状，且保证该曲线闭合；
2)在坯料二维平面内的轮廓边界上进行种子点设置，变形量大的部位种子点密 集，每4_设置一个种子点，变形量小的部位种子点稀疏，每10_设置一个种子点，两者中 间通过过渡区来获得疏密网格的过渡，约为每7_设置一个种子点；
3) 二维平面内的网格划分采用MSC. Mentat自动计算网格的方法，一次生成一个 单元，从区域的边界向内部逐渐生成全域网格，由此生成的网格基于致密的种子点生成的网格较密，稀疏的种子点生成的网格较稀疏，两者间通过过渡区来获得疏密网格的过渡；
4)调整除种子点外的单元节点位置，将小尺寸的单元沿压下变形方向增加单元长 度，同时减小大尺寸单元的单元大小。最终获得的有限元网格在沿压下方向的单元尺寸基 本相当，约为9mm 11mm。调整轮廓内部节点在宽展方向上的位置，调整后单元尺寸约为 5mm 6_，最大限度地减少单元形状的扭曲程度，提高网格质量；
5)将二维平面网格进行扩展，以7mm为单位进行扩展，得到三维有限元网格，即采 用八结点六面体网格划分的轧件模型。消除重复的或距离过度小的几何或有限单元元素。 对三维平面内的单元编号和节点编号，进行重新排列以消除编号的排列间隔，沿逆时针方 向进行单元结点或单元编号的排列。
权利要求
1.一种模拟型钢切深孔轧制过程的网格生成方法，其特征在于，包括以下步骤101、在轧件初始形状位于二维平面内的轮廓边界上进行种子点设置；102、在二维平面内进行网格划分，生成四边形单元；103、将二维平面网格进行扩展，得到三维有限元网格，即采用八结点六面体网格划分的轧件模型。
2.根据权利要求1所述的一种模拟型钢切深孔轧制过程的网格生成方法，其特征在于，在步骤101之前还包括以下步骤获得该轧制道次坯料的二维形状轮廓，并确认该二维形状轮廓闭合。
3.根据权利要求1所述的一种模拟型钢切深孔轧制过程的网格生成方法，其特征在于，所述步骤101包括以下步骤301、将坯料二维轮廓长度与切深孔孔型轮廓长度进行对比，二者之比作为基数，将两个轮廓相对应地划分为若干区域，对应区域长度之比与基数进行比较，小于基数的即是变形显著的区域，大于基数的即是变形平缓的区域；302、对于变形显著的区域采用较细密的种子点，对于变形不显著的区域采用稀疏的种子点设定，介于两者中间的变形区采用介于两种稀疏程度中间的密度划分种子点。
4.根据权利要求1所述的一种模拟型钢切深孔轧制过程的网格生成方法，其特征在于，所述步骤102包括以下步骤401、二维平面内的网格划分采用MSC.Mentat自动计算网格的方法，一次生成一个单元，从区域的边界向内部逐渐生成全域网格；402、基于致密的种子点生成的网格较密，稀疏的种子点生成的网格较稀疏，两者间通过过渡区来获得疏密网格的过渡；403、调整除种子点外的单元节点位置，将小尺寸的单元沿压下变形方向增加单元长度，同时减小大尺寸单元沿压下变形方向的单元大小；404、最终获得的有限元网格在沿压下方向的单元尺寸基本相当；405、调整轮廓内部单元节点在宽展方向上的位置，使得在压下方向位置相近的单元沿宽展方向的尺寸基本相当，即在提高宽展方向上节点的均匀度，节点位置调整后，单元内角全部小于180°，最大限度地减少四边形单元形状的扭曲程度，提高网格质量。
5.根据权利要求1所述的一种模拟型钢切深孔轧制过程的网格生成方法，其特征在于，所述103包括以下步骤.501、确定从二维平面向三维立体进行扩展时，三维空间扩展的单元移动量与二维平面内种子点设定时单元尺寸一致；.502、消除重复的或距离过度小的几何或有限单元元素；.503、对三维平面内的单元编号和节点编号，进行重新排列以消除编号的排列间隔，沿逆时针方向进行单元结点或单元编号的排列。
全文摘要
本发明涉及有限元工程分析的前处理领域，尤其涉及一种模拟型钢切深孔轧制过程的网格生成方法，其特征在于，包括以下步骤101、在轧件初始形状位于二维平面内的轮廓边界上进行种子点设置；102、在二维平面内进行网格划分，生成四边形单元；103、将二维平面网格进行扩展，得到三维有限元网格，即采用八结点六面体网格划分的轧件模型。现有技术相比，本发明的有益效果是1)利用这种网格生成方法所获得的三维有限元网格能够满足型钢切深孔轧制过程模拟的需要，最终实现准确且成功模拟切深孔轧制过程的目的。2)采用这种划分方法获得的轧件网格，能够满足三维弹塑性热-机耦合模型模拟的需要，保证足够的计算精度，提高计算的稳定性。
文档编号G06F17/50GK103034745SQ20111029636
公开日2013年4月10日 申请日期2011年9月30日 优先权日2011年9月30日
发明者原思宇, 王军生, 李广龙, 高冰, 赵坦, 李文斌, 王旭, 王奎越, 费静, 宋宝宇, 吴萌 申请人:鞍钢股份有限公司