热卷弹簧轧制过程的有限元模拟

　　3.5显式三维弹性辊轧制过程模拟

　　显式三维弹性辊轧制过程中的两个孔形立辊为刚性辊，两个平辊为弹性辊，接触摩擦均采用库伦摩擦，轧辊与轧件均采用SOLID164单元进行网格划分。轧件以一定的初始速度向辊缝运动，进入辊缝后靠摩擦完成轧制过程。另外此模型中的轧件温度沿宽向逐渐增大，变形抗力逐渐减小。

　　4结果分析

　　对于采用隐式算法进行分析和采用显式算法进行分析，可以从理论上和计算实践上进行比较。在理论方面，隐式算法是无条件稳定的，而显式算法是条件稳定的，即只有在计算时间步长小于一定的时间步长时计算才是稳定的，否则结果不可用。隐式算法计算时需要进行迭代过程，迭代的收敛性与很多因素有关，耗费在调整迭代收敛问题上的时间将非常多，这实际上降低了计算效率。而显式算法因采用显式积分方法，故没有迭代和收敛的问题，耗费在调整计算上的时间少得多，此外还可以通过质量缩放来缩短计算时间，这一点是隐式算法所不具有的，最终使采用显式算法进行计算的效率较高。

　　从计算实践上来说，采用隐式算法进行热卷弹簧轧制过程模拟时，当压下率较大时，轧件咬入会出现困难，可通过在轧件咬入时加一个适当的推力，或者先由垂直方向压下咬入再进行轧制等方法解决。但总的来说，采用隐式分析方法时轧件的咬入始终是一个比较棘手的问题，在具体问题中还要进行更详细的调整。而利用显式方法计算时，由于对大变形接触问题处理很方便，对于轧制模拟可以很好地解决咬入问题。即使在压下率较大时，轧件的咬入也不会出现困难。另一方面，在弹性辊轧制过程中，由于轧辊的弹性变形和轧件大塑性变形的耦合解析，使得隐式计算的迭代过程非常不易收敛，要经过很多次的调整才能得到一个稳定的结果。特别是在压下率比较大，网格畸变比较严重时更是如此。而显式分析不存在收敛性问题，故这个调整过程可以大大缩短，从而提高了计算效率。再者，隐式分析中，计算时间与模型单元数量是二次方的关系。在计算过程中，由于单元的增加，使计算时间延长非常多，计算的调整也变得困难。而从本文的计算模型可以看出，显式算法中的计算模型可以非常大，但实际的计算时间和调整时间比隐式算法少得多，这是因为显式算法的计算时间与模型单元数量是线性关系，并且可以用质量缩放等技术来缩短计算时间。