ABAQUS6.12旋压仿真实例：入门到精通

旋压是将平板或空心坯料固定在旋压机的模具上，在坯料随机床主轴转动的同时，用旋轮或赶棒加压于坯料，使之产生局部的塑性变形。在旋轮的进给运动和坯料的旋转运动共同作用下，使局部的塑性变形逐步地扩展到坯料的全部表面，并紧贴于模具，完成零件的旋压加工。

旋压是一种特殊的成型方法，可以完成各种形状旋转体的拉深、翻边、缩口、胀形和卷边等工艺。旋压设备可分类如下。

■按变形原理

普通旋压机。

强力旋压机。

■按主轴位置

卧式旋压机：主轴为水平方向的叫做卧式旋压机。

立式旋压机：主轴为垂直方向的叫做立式旋压机。

■按旋轮个数

单旋轮旋压机：只有一个旋轮的旋压机称为单轮旋压机。

双旋轮旋压机：有两个旋轮的旋压机称为双轮旋压机。

三旋轮旋压机：有三个旋轮的称为三轮旋压机。

多旋轮：有三个以上旋轮的称为多轮旋压机。

■芯模相对位置

外旋压机：旋轮从外部对工件进行旋压的旋压机。

内旋压机：旋轮从内部对工件进行旋压的旋压机。

■按金属流动方向

正旋旋压机：金属流动方向与旋轮运动方向相同的旋压机。

反旋旋压机：金属流动方向与旋轮运动方向相反的旋压机。

正反旋旋压机：金属在旋压过程中向两个方向流动的旋压机。

■按旋压温度

热旋压机：能够对工件进行加热旋压的旋压机。

冷旋压机：在常温下进行旋压的旋压机。

旋压过程中板坯与芯模共同旋转，由辊轮进给并施加压力，使板坯紧贴芯模逐点局部变形冲压成型。旋压可制造各种轴对称旋转体零件，如扬声器、弹体、高压容器封头、铜锣；也可用于气瓶收口、筒坯成型等。

旋压的特点是：用很小的变形力可成型很大的工件；使用设备比较简单，中小尺寸的薄板件可用普通车床旋压；模具简单，只需要一块芯模，材质要求低。

旋压加工的优点是设备和模具都比较简单（没有专用的旋压机时可用车床代替），除可成形如圆筒形、锥形、抛物面或其他各种曲线构成的旋转体外，还可加工相当复杂形状的旋转体零件。缺点是生产率较低，劳动强度较大，比较适用于试制和小批量生产。

本例将对图16-7所示的旋压加工模型进行仿真，旋轮与工件的尺寸参数见表16-1，旋压过程采用反旋，即毛坯左部施加固定约束，旋轮从右向左移动，材料流动方向与旋轮方向相反。

毛坯材料参数见表16-2。

图16-7 加工仿真模型

表16-1 工件与旋轮尺寸

表16-2 毛坯的塑性参数

启动ABAQUS/CAE，开始进入建模分析。

（1）进入“部件”模块。单击按钮，弹出图16-8所示的“创建部件”对话框，创建一个“三维”“可变形”的旋转部件，单击“继续”按钮，绘制图16-9所示的草图。

图16-8 “创建部件”对话框

图16-9 截面草图

完成截面绘制后单击中键，在“编辑旋转”对话框中设置旋转的角度为“360”，生成roughcast部件如图16-10所示。

单击按钮，弹出图16-11所示的“创建部件”对话框，创建一个“三维”“解析刚性”的“旋转壳”部件，单击“继续”按钮，绘制图16-12所示的草图。

图16-10 毛坯模型

图16-11 “创建部件”对话框

图16-12 截面草图

完成截面绘制后单击中键，在“编辑旋转”对话框中设置旋转的角度为“360”，生成mould部件如图16-13所示。

图16-13 芯轴模型

单击按钮，弹出图16-14所示的“创建部件”对话框，创建一个“三维”“解析刚性”的“旋转壳”部件，单击“继续”按钮，绘制图16-15所示的草图。

图16-14 “创建部件”对话框

图16-15 截面草图

完成截面绘制后单击中键，在“编辑旋转”对话框中设置旋转的角度为“360”，生成roller01部件如图16-16所示。

图16-16 旋轮模型

旋轮的创建过程也可以使用“关键字编辑器”进行，创建思想是一样的，都是先绘制母线然后旋转成为曲面，不同之处在于这些命令即可以出现在部件中，也可以出现在装配块中。

在模型树中，在roller01部件上单击鼠标右键，选择菜单中的“复制”命令，将新部件名称定义为roller02，单击“确定”按钮完成复制。此时模型的四个部件都已创建完成。

本例的特殊之处在于有解析刚性部件，因此注意在“关键字编辑器”中，部件块应为如下状态。

这也是ABAQUS输入文件命令的特点：INP文件是不记录几何模型信息的，两个解析刚性体没有结点，因此只有创建了部件的信息，进入可变形部件才开始有结点。

（2）进入“属性”模块。由于本例中将模具部件均定义为刚体，所以只需要为工件定义材料。

单击按钮创建一个名为“steel”的材料，如图16-17所示。按图16-18进行密度设置。

图16-17 编辑材料

图16-18 密度设置

弹性参数中弹性与泊松比按图16-19进行设置。在图16-20中的塑性参数中输入表16-2的参数。

图16-19 弹性参数设置

图16-20 塑性参数设置

完成材料创建后，单击按钮，创建一个实体截面，关联steel材料，并指派给毛坯。 在“关键字编辑器”中，先使用如下命令创建材料。

然后进行截面指派。

（3）进入“装配”模块，单击按钮将四个部件实例化，如图16-21所示。使用按钮，将各部件调整到图16-22所示的位置。

图16-21 实例初始位置

图16-22 实例装配关系

其中，旋轮与芯轴的轴距为0.167，芯轴与毛坯端部对齐如图16-23所示，旋轮端面与毛坯端面轴向距离为0.005如图16-24所示。

在本例的关键字编辑过程中，进行装配的同时还行刚性部件的创建。

图16-23 芯轴与毛坯端部对齐

图16-24 旋轮端面与毛坯端面轴向距离

（4）完成装配，进入“分析步”模块，创建一个名为“Step-velocity”的显式动力分析步，在“分析步管理器”对话框如图16-25所示。单击“创建分析步”对话框中的“继续”按钮，弹出图16-26所示的“编辑分析步”对话框，设置“时间长度”为“75”，“几何非线性”默认为“开”。

图16-25 “分析步管理器”对话框

图16-26 “编辑分析步”对话框

“增量”选项卡设置如图16-27所示。“质量缩放”选项卡设置如图16-28所示。

图16-27 “增量”选项卡

图16-28 “质量缩放”选项卡

其余保持默认即可，单击“确定”按钮完成分析步的创建。

在“关键字编辑器”中，输入如下命令，完成分析步的定义。

单击按钮右侧的按钮，在图16-29所示的“场输出请求管理器”中选择“F-Output-1”，单击“编辑”按钮，弹出图16-30所示的“编辑场输出请求”对话框，将输出请求改为“A，CSTRESS，LE，PE，PEEQ，RF，RT，S，U，V，”。

图16-29 “场输出请求管理器”对话框

图16-30 “编辑场输出请求”对话框

单击按钮右侧的按钮，在图16-31所示的“历程输出请求管理器”中已完成一个输出请求，再创建一个，选择输出的变量为“ALLIE，ALLKE，”，如图16-32所示，单击“确定”按钮完成。

（5）进入“相互作用”模块，开始定义相互作用。首先单击按钮，创建一个相互作用属性如图16-33所示，切向行为为“罚”函数，“摩擦系数”为“0.3”。

图16-31 “历程输出请求管理器”对话框

图16-32 “编辑历程输出请求”对话框

使用*Friction命令也可以定义罚函数。

单击按钮右侧的按钮，在图16-34所示的“相互作用管理器”中创建三个Initial分析步中的相互作用。

图16-33 “编辑接触属性”对话框

图16-34 “相互作用管理器”对话框

如图16-35所示，“mould-roughcast”相互作用是芯轴与毛坯的接触，类型为“表面与表面接触（Explicit）”，第一表面为芯轴外表面，第二表面为毛坯内表面如图16-36所示。也即“关键字编辑器”中的如下命令。

图16-35 “mould-roughcast”相互作用

图16-36 “mould-roughcast”相互作用的表面

如图16-37所示，“ring01-roughcast”相互作用是01轮与毛坯的接触，类型为“表面与表面接触（Explicit）”，第一表面为01轮外表面，第二表面为毛坯外表面如图16-38所示。也可以在“关键字编辑器”中使用如下命令。

如图16-39所示，“ring02-roughcast”相互作用是02轮与毛坯的接触，类型为“表面与表面接触（Explicit）”，第一表面为02轮外表面，第二表面为毛坯外表面如图16-40所示。

或者直接在“关键字编辑器”中直接编辑如下命令。

图16-37 “ring01-roughcast”相互作用

图16-38 “ring01-roughcast”相互作用的表面

图16-39 “ring02-roughcast”相互作用

图16-40 “ring02-roughcast”相互作用的表面

此时完成相互作用定义，在图16-34所示的“相互作用管理器”中可看到三个相互作用，下一个分析步直接传递即可，不用再设置。

（6）进入“载荷”模块，如图16-41所示的“边界条件管理器”中所示的就是接下来将要创建的边界条件。

图16-41 “边界条件管理器”对话框

单击按钮，创建“mould-fixed”边界条件，选择的分析步为“Initial”，类型为“位移/转角”，约束所有自由度如图16-42所示，约束的对象为芯轴模型的参考点，如图16-43所示。(www.xing528.com)

图16-42 “mould-fixed”边界条件

图16-43 约束点

在“关键字编辑器”中直接输入如下命令也可以定义。

单击按钮，创建“roughcast-fixed”边界条件，选择的分析步为“Initial”，类型为“位移/转角”，约束所有自由度如图16-44所示，约束的对象为毛坯模型的端面，如图16-45所示。

在“关键字编辑器”中设置的命令如下。

图16-44 “roughcast-fixed”边界条件

图16-45 约束面

单击按钮，创建“velocity-rooler01”边界条件，选择的分析步为“Step-velocity”，类型为“速度/角速度”，V2为“0.0008”，VR2为“25.1327”，如图16-46所示。单击按钮，创建一个平滑分析步类型的幅值，如图16-47所示，输入参数，单击“确定”按钮。

图16-46 “velocity-rooler01”边界条件

图16-47 幅值设置

幅值也可以预先在“关键字编辑器”中进行如下定义。

如果在“关键字编辑器”中进行过定义，直接在编辑边界条件时即可直接调用。

回到图16-46所示的“编辑边界条件”对话框中，选中刚创建的幅值，单击“确定”按钮完成。

也可以使用关键字定义如下。

单击按钮，创建“velocity-rooler02”边界条件，选择的分析步为“Step-velocity”，类型为“速度/角速度”，V2为“0.0008”，VR2为“25.1327”，如图16-48所示。选择上一步创建的幅值，单击“确定”按钮完成边界的设置如图16-49所示。

图16-48 “velocity-rooler02”边界条件

图16-49 完成边界定义

在“关键字编辑器”中输入如下命令，也可以创建这个边界条件。

（7）进入“网格”模块，单击按钮，拾取图16-50所示的四个圆，单击中键，在图16-51所示的“局部种子”对话框中设置将每条线分为“75”个单元。

图16-50 分为75份的边

图16-51 “局部种子”对话框

单击按钮，拾取图16-52所示的两条边，单击中键，在图16-53所示的“局部种子”对话框中设置将每条线分为“20”个单元。

图16-52 分为20份的边

图16-53 “局部种子”对话框

单击按钮，拾取图16-54所示的两条边，单击中键，在图16-55所示的“局部种子”对话框中设置将每条线分为“4”个单元。

此时每条边的种子如图16-56所示。

单击按钮，弹出图16-57所示的“单元类型”对话框，选择C3D8R单元（八结点线性六面体单元、减缩积分、沙漏控制）。

然后单击按钮，弹出图16-58所示的“网格控制属性”对话框，选择“扫掠”，单击“确定”按钮完成。

图16-54 分为4份的边

图16-55 “局部种子”对话框

图16-56 种子

图16-57 “单元类型”对话框

图16-58 “网格控制属性”对话框

单击按钮，将毛坯模型进行网格划分，如图16-59所示。

图16-59 完成网格划分

（8）进入“作业”模块，创建一个作业如图16-60所示，在图16-61所示的“精度”选项卡中选择精度为“单精度”。

图16-60 “编辑作业”对话框

图16-61 精度选项设置

此时操作完成，可以提交计算，建议读者先进行数据检查，以核对是否有重大缺陷。本例提供了INP文件的详解，以供参考，读者也可自行编写。

（9）提交计算结束后，可以进行后处理。由于本例计算时间较长，需要耐心等待。在一个Intel Core i52.5GHz CPU、4GB内存、使用x64系统的平台下，计算时间约4h。

进入“可视化”模块，单击按钮，显示变形图如图16-62所示，此时为初始状态。

由于本例计算时间长而使用平台运算能力有限，只进行较为粗略的计算以介绍方法，如读者拥有优秀的计算平台与充裕的时间，可将进给速度调小，即可以得到更为接近实际的结果。

图16-63所示为INC=05时的变形图。

图16-62 变形图，I N C=00

图16-63 变形图，INC=05

图16-64所示为INC=10时的变形图。图16-65所示为INC=15时的变形图。

图16-64 变形图，I N C=10

图16-65 变形图，INC=15

图16-66所示为INC=18时的变形图。图16-67所示为INC=20时的变形图。

图16-66 变形图，I N C=18

图16-67 变形图，INC=20

单击按钮，显示应力云图如图16-68所示。图16-69所示为INC=05时的应力云图。

图16-70所示为INC=10时的应力云图。图16-71所示为INC=15时的应力云图。

图16-68 应力云图，I N C=01

图16-69 应力云图，INC=05

图16-70 应力云图，I N C=10

图16-71 应力云图，INC=15

图16-72所示为INC=18时的应力云图。图16-73所示为INC=20时的应力云图。

图16-72 应力云图，I N C=18

图16-73 应力云图，INC=20

在工具栏中，将变量调整为“LE”，即对数应变，显示对数应变云图如图16-74所示。图16-75所示为INC=05时的对数应变云图。

图16-74 对数应变云图，I N C=01

图16-75 对数应变云图，INC=05

图16-76所示为INC=10时的对数应变云图。图16-77所示为INC=15时的对数应变云图。

图16-76 对数应变云图，I N C=10

图16-77 对数应变云图，INC=15

图16-78所示为INC=18时的对数应变云图。图16-79所示为INC=20时的对数应变云图。

图16-78 对数应变云图，I N C=18

图16-79 对数应变云图，INC=20

在工具栏中，将变量调整为“PE”，即塑性应变，显示塑性应变云图如图16-80所示。图16-81所示为INC=05时的塑性应变云图。

图16-80 塑性应变云图，I N C=01

图16-81 塑性应变云图，INC=05

图16-82所示为INC=10时的塑性应变云图。图16-83所示为INC=15时的塑性应变云图。

图16-82 塑性应变云图，I N C=10

图16-83 塑性应变云图，INC=15

图16-84所示为INC=18时的塑性应变云图。图16-85所示为INC=20时的塑性应变云图。

图16-84 塑性应变云图，I N C=18

图16-85 塑性应变云图，INC=20

执行“结果→历程输出”命令，弹出图16-86所示的“历程输出”对话框。

图16-86 “历程输出”对话框

选择其中的项目，可以输出相应的历程曲线。如图16-87所示为ALLAE（伪应变能）曲线。图16-88所示为模型ALLWK（对外做工）曲线。

图16-87 ALLAE（伪应变能）曲线

图16-88 ALLWK（对外做工）曲线

图16-89所示为模型ALLFD（摩擦耗散）曲线。图16-90所示为模型与毛坯的ALLIE（内能）曲线。

图16-89 ALLFD（摩擦耗散）曲线

图16-90 ALLIE（内能）曲线

图16-91所示为模型与毛坯的ALLKE（动能）曲线。图16-92所示为模型的ALLVD（黏性耗散）与ALLPD（弹性耗散）对比曲线。

图16-91 ALLKE（动能）曲线

图16-92 ALLVD（黏性耗散）与ALLPD（弹性耗散）对比曲线

图16-93所示为模型的ETOTAL（总能量）与ALLSE（应变能）曲线。

图16-93 ETOTAL（总能量）与ALLSE（应变能）曲线