毕金属切削过程的有限元分析业设计说明书.docx
《毕金属切削过程的有限元分析业设计说明书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕金属切削过程的有限元分析业设计说明书.docx（73页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
毕金属切削过程的有限元分析业设计说明书
摘要
金属切削加工过程是一个十分复杂的非线性变形过程，传统的研究方法很难对切削机理进行定量分析。
利用计算机进行有限元仿真研究具有系统性好、继承性好、可延续性好等优点，还不受时间、空间和实验条件的限制，一旦获得较好的仿真效果，则可大大缩短工艺设计的时间和成本。
有限元仿真还可以获得许多用实验方法难以获得或不能获得的信息，能够再现切削过程的变形和温度的变化。
利用有限元仿真技术能够方便地分析各种工艺参数对切削过程的影响，为优化切削工艺和提高产品精度与性能提供理论和实用的手段，为更好地研究金属切削理论提供了极大的方便。
在掌握会属切削的材料非线性、几何非线性等问题的基础上，研究了弹塑性大变形有限元法求解过程。
研究了仿真系统中的几个关键技术的处理以及仿真系统的结构组成，利用大型商用有限元软件ABAQUS作为有限元仿真软件平台。
关键词：
有限元法，切屑形成，切削方向毛刺，数学建模，会属切削过程仿真
ABSTRACT
MetalcuttingprocessisaverycomplicatednonlinearprocessByclassicalresearchtechnique，itisverydifficulttogiveaquantitativeanalysisofmetal—cuttingmechanics．Applyingthecomputerinfiniteelementsimulationresearchhasmanyadvantages，suchas：
goodsystematicness，goodsuccessionandgoodcontinuity．Besides，theresearchisnotlimitedbytimeandspace．Oncegoodsimulationresultsareachieved，thetimeandthecostoftechnologicaldesigncanbecutdowngreatly．Byfiniteelementsimulmion，inrmation，whichisdifficultorimpossibletobeobtainedpreviouslybylabmethod，cannowbegained.Thedeformationandthetemperaturechangeincuttingprocesscarlbereproduced．Byfiniteelementsimulation，technologicalparameter’sinfluenceOUcuttingprocesscallbeanalyzedconveniently,whichprovidesatheoreticandpracticalmethodforoptimizingcuttingtechnologyandimprovingtheaccuracyandperformanceoftheproductandwhichmakestheresearchofmetalcuttingtheorymoreconveniently．
Itisbasedonknowledgeofmaterialnonlineraityandgeometricnonlineraitythatthesolutionprocedureoflargeelastic—plasticdeformationisresearched．Processingofkeytechniquesandconstructionofsimulationsystemareresearched.Thelarge—scalecommercialsoftwareABAQUSisusedasfiniteelementsimulationsoftware．
Keywords：
FiniteElementMethod（FEM），ChipFormation,CuttingDirectionBurr,MathematicalModeling,MetalCuttingProcessSimulation
第一章绪论
1.1概述
在金属切削加工过程中，切削力、切削温度和刀具应力是其主要物理现象，尤其是切削力，它直接影响着刀具的耐用度和已加工表面质量，有时还会引起振动，甚至破坏刀具及机床零件；而且在设计机床、刀具、夹具时，切削力是重要的设计依据；随着加工过程自动化的发展，切削力和切削温度经常是作为对切削过程进行自适应控制的一个重要参数，得到了广泛的重视。
因此，研究切削力、切削温度和刀具应力的分布规律不仅是切削机理研究的重要反面，而且对于生产实际也有重要的现实意义。
1.2ABAQUS简介
ABAQUS公司是世界知名的计算机仿真行业的软件公司，成立于1978年，总部位于美国罗德岛洲博塔市，其主要业务为世界上最著名的非线性有限元分析软件Abaqus进行开发、维护及售后服务。
2005年5月，前ABAQUS软件公司与世界知名的在产品生命周期管理软件方面拥有先进技术的法国达索集团合并，共同开发新一代的模拟真实世界的仿真技术平台SIMULIA。
SIMULIA不断吸取最新的分析理论和计算机技术，领导着全世界非线性有限元技术和仿真数据管理系统的发展。
ASAQUS公司根据用户的反馈不断解决各种技术难题并进行改进软件，如今ASAQUS软件已逐步完善，从简单的线性静态问题到复杂的高难度非线性问题，从单个零件的力学分析到庞大复杂系统的多物理场耦合分析，都能驾驭。
具体而言，ASAQUS除了能有效地进行冲击分析、爆炸分析、屈曲分析、模态分析、断裂分析、瞬态分析、接触分析、弹塑性分析、几何非线性分析、碰撞分析、疲劳和耐久分析等结构分析和热分析外，还能进行流固耦合、热固耦合分析、声场和声固耦合分析、压电和热电耦合分析、质量扩散分析等。
ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。
ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。
并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。
作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结构（应力/位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透/应力耦合分析）及压电介质分析。
ASAQUS软件以其强大的有限元分析功能和CAE功能，被广泛运用于机械制造、土木工程、隧道桥梁、水利水电、汽车制造、船舶工业、核工业、石油化工、生物医学、军用、民用等领域。
ASAQUS能够求解各种复杂的模型并能解决实际工程问题，在分析能力和可靠性等方面赢得了广大用户的赞誉。
ABAQUS为用户提供了广泛的功能，且使用起来又非常简单。
大量的复杂问题可以通过选项块的不同组合很容易的模拟出来。
例如，对于复杂多构件问题的模拟是通过把定义每一构件的几何尺寸的选项块与相应的材料性质选项块结合起来。
在大部分模拟中，甚至高度非线性问题，用户只需提供一些工程数据，像结构的几何形状、材料性质、边界条件及载荷工况。
在一个非线性分析中，ABAQUS能自动选择相应载荷增量和收敛限度。
他不仅能够选择合适参数，而且能连续调节参数以保证在分析过程中有效地得到精确解。
用户通过准确的定义参数就能很好的控制数值计算结果。
ABAQUS有两个主求解器模块—ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit。
ABAQUS还包含一个全面支持求解器的图形用户界面，即人机交互前后处理模块—ABAQUS/CAE。
ABAQUS对某些特殊问题还提供了专用模块来加以解决。
ABAQUS被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。
ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究。
ABAQUS的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说是独一无二的。
由于ABAQUS优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得ABAQUS被各国的工业和研究中所广泛的采用。
ABAQUS产品在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用
1.3有限元分析方法
有限元分析是使用有限元方法来分析静态或动态的物理物体或物理系统。
在这种方法中一个物体或系统被分解为由多个相互联结的、简单、独立的点组成的几何模型。
在这种方法中这些独立的点的数量是有限的，因此被称为有限元。
由实际的物理模型中推导出来得平衡方程式被使用到每个点上，由此产生了一个方程组。
这个方程组可以用线性代数的方法来求解。
有限元分析的精确度无法无限提高。
元的数目到达一定高度后解的精确度不再提高，只有计算时间不断提高。
有限元法的基本思想是把连续体视为离散单元的集合体来考虑。
在应用有限元法分析问题时，首先采用“化整为零”的办法，将连续体分解为有限个性态比较简单的“单元”，对这些单元分别进行分析;然后采用“积零为整”的办法，将各个单元重新组合为原来的连续体的简化了的“模型”，通过求解这个模型得到问题的基本未知量（例如位移）在若干离散点上的数值解;最后，根据得到的数值解，再回到各个单元中计算其它物理量（例如应变、应力）。
有限元法的基本思想就是“一分一合”。
分是为了进行单元分析，就是将某个工程结构离散为由各个单元组成的计算模型，即单元剖分。
离散后的单元和单元之间利用节点相互连接起来，单元节点的设置、性质、数目等应该根据问题的性质，描述变形形态的需要和计算精度而定（一般情况，单元划分越细，描述变形的情况越精确，即越接近实际变形，但计算量也就越大），如果划分的单元数目足够多而且又很合理，那么获得的结果就与实际情况十分接近:
合是为了对整体结构进行综合分析，利用结构的力平衡条件、热平衡条件和边界约束条件，把各个单元按照原来的结构重新连接起来，通过单元之间的纽带一节点，完成过程变量的传递，最终形成整体的有限元方程。
根据方程组的具体特点，选择合适的计算方法，求解这个方程，就可以得到工程需要的结果，例如:
变形位移，变形力，应力分布，温度分布等等。
有限元求解的整个工作流程可以用图1来表示。
1.4有限元法的发展及其在金属塑性加工中的应用
图1
20世纪40年代，由于航空事业的飞速发展，对飞机结构提出了愈来愈高的要求，即重量轻，强度高，刚度好，人们不得不进行精确的设计和计算，正是在这一背景下，逐渐在工程中产生了矩阵力学分析方法。
在随后的40年里，学者们做了大量的基础性研究。
1941年，Hrenikoff使用“框架变形功方法”（frameworkmethod）求解了一个弹性问题，这开创了有限元的先河；
1943年，Cournant发表了一篇使用三角形区域的多项式函数来求解扭矩问题的论文;
1954年，我国的胡海昌提出了广义变分原理；
1955年，德国的Axgyris出版了第一本关于结构分析中的能量原理和矩阵方法的书，为后续的有限元研究奠定了基础；
1956年，波音公司的Tmuer、Cluohg、Martni和Topp在分析飞机结构时系统研究了离散杆、梁、三角形的单元刚度表达式，并求得了平面应力问题的正确解答；
1960年，Clough在处理平面弹性问题时，第一次提出并使用了“有限元方法”（finiteelementmethod）的名称；
1970年，希伯特（.H.D.Hbbiti）等人首先采用了以拉格朗日描述法为基础的大变形弹塑性有限元列式，有限元法开始应用与处理非线性和大变形问题；
1971年，兰格（K.Lange）在马可夫（Markov）变分原理的基础上，把体积不可压缩条件用拉格朗日乘子法引入到泛函中，通过这种表述建立了刚塑性有限元公式；
1972年，Oden出版了第一本关于处理非线性连续体的专著；
1973年，李和小林史郎以矩阵分析法，独立地提出了类似的刚塑性有限元法；
1974年，Tay，Setvensno和Davis第一次采用有限元方法计算正交切削刀具、切屑、工件上的温度分布。
1978年，陈（C.C.Chen）和小林史郎提出了刚性区的处理方法以及反正切摩擦力模型，为刚塑性有限元法开始应用于金属塑性成形奠定了重要基础；
1979年，监凯维奇（O.C.Zienkiewicz）等提出了采用罚函数法处理体积不可压缩条件的刚塑性有限元法；
1981年，帕克（J.J.Pkar）和小林史郎给出了三维刚塑性有限元公式；
1982年，莫里（K.Mori）和坂田（K.Osakada）提出了刚塑性可压缩材料的有限元法。
至此，刚塑性有限元基本理论和方法己经初步形成。
80年代末期以来，金属塑性成形过程的计算机模拟技术逐渐成熟并进入实用阶段。
在金属切削领域，各国的学者对有限元的应用作了大量的研究工作。
1985年，J.S.Srteknowski和.JT.Carroll提出了一个简化的正交切削模型，对平面应变情况使用了修正的拉哥朗日刚度方程。
特别是采用了新的切屑分离标准，即基于工件的等效塑形应变。
1991年，K.Komvopoulos和S.A.Erpenbeakt]提出了新的正交切削有限元模型，着重考虑了在切削过程中工件材料的塑性流动、刀具与工件之间的摩擦力以及刀具的磨损。
目的是为了解释切屑与工件的分离、摩擦力、积屑瘤和后刀面的磨损;
1999年，Ship-PengLo使用有限元法分析了在精密加工中，刀具前角对切削力、切屑的形状、等效应力的分布、残余应力的分布和加工表面的影响;
2001年，XiaopingYang和C.RihcrdLiu建立了切削加工中摩擦力随压力变化的有限元模型，并研究了它对残余应力的影响;
2004年，Yung-ChangYen等分析了切削刃的形状对切屑成形、切削力和其它切削过程的物理现象（切削温度、应力和应变）的影响。
总体来说，对于切屑形成过程的有限元仿真方面，国外的2一D仿真发展较快，甚至能够列塑性较差的工件材料的切削进行仿真．但3一D仿真则相对较弱：
国内的仿真主要停留在2D领域，不仅视觉效果不够理想，而且仿真的能力仅局限于正交切削范围，其它大部分的切削情况都不能仿真，如包含斜刃切削的车削、刨削、铣削、钻削等切削加工情况。
对于毛刺形成的有限元仿真方面，国内外的研究都比较少，而且效果不太理想。
展望未来，作为力学、材料科学和计算机应用跨学科领域的塑性成形模拟技术将获得新的发展。
更精确的材料本构模型将得到应用，从而使人们更深入地洞察各种材料在塑性成形过程中发生的变形、微观组织的变化、材料破坏机理等。
计算机技术和计算方法的发展，将使得模拟所需的时间大大缩短。
塑性成形过程模拟与塑性成形工艺及计算机辅助设计技术的集成，它与可视化技术和人工智能的结合，将形成一种方便高效的智能化设计和研究手段，它不仅能用于检验和优化设计，也可用于探索新的塑性成形工艺和材料。
1．5本课题研究的价值、意义
在上个世纪当中，全世界的许多实验室对金属切削进行了大量的科学研究，获得了大量的资料，并且这些资料以各种形式进行了出版发行。
但这些资料大部分没有被计算机所使用，仅局限于小的专家圈子，人们从相关材料上所获得的资料往往落后于金属切削技术的最新发展。
很少有人能列工业中的实际情况应用什么资料最有效，有一个彻底的总览。
由于金属切削加工过程是一个影响因素十分复杂的非线性变形过程，传统的研究方法很难对切削机理进行定量分析。
特别是高速、超精密切削加工等工艺，实验方法很难获得所需的相关参数，如任意时刻的应力、应变以及温度等的分布等。
随着计算机技术和信息技术的发展，虚拟制造技术在传统加工制造业中得到广泛应用。
应用虚拟制造技术可以缩短产品开发周期、降低成本、提高产品质量，从而提高产品的市场竞争力。
对切削过程进行虚拟仿真，研究金属切削变形等物理现象的影响因素，可以帮助合理选择参数工艺中的切削速度，背吃刀量及进给量；对刀具几何结构（前角，后角和断屑槽等）进行优化设计，进而可以采取措施减小切削力，提高金属切除效率并改善加工表面质量，优化加工工艺等。
因而，采用计算机模拟技术研究切削过程中的金属变形及其温度分布等是最有发展前景的研究方法之一。
机算机模拟研究具有系统性好、继承性好、可延续性好等优点，还不受时问、空间和实验条件的限制，一旦获得较好的仿真效果，则可大大缩短工艺设计的时间和成本。
计算机模拟还可以获得许多用实验方法难以获得或不能获得的信息，能够再现切削过程的变形及温度的变化。
利用有限元仿真研究能够方便地再现各种工艺参数对切削过程的影响，为优化切削工艺和提高产品精度与性能提供理论和实用的手段。
1.6本次设计的主要任务
（1）在掌握会属切削的材料非线性问题、几何非线性问题等的基础上，研究弹塑
性大变形有限元求解过程。
（2）建立车削过程的几何有限元模型和材料的有限元模型，选取对车削力影响最大几个切削参数（切削深度、进给量、切削速度、刀具前角、主偏角）作为研究对象，进行多次数值模拟，考察以上参数对切削力的影响，分析切削过程中温度和刀具应力的分布以及它们对刀具磨损的作用。
（3）针对上述的有限元仿真过程，进行尽可能相同条件的现实试验，采集车削过程中的切削力，分析处理数据，验证仿真的效果，并观察刀具可能出现的磨损状况来推测切削温度和刀具应力的分布。
第二章有限元仿真概述关键技术
2.1金属切削研究分析方法
金属切削加工主要是通过刀具在材料表面去除多余的材料层来获得所需的共建几何形状、尺寸精度、表面质量等的加工方法，是机械装备制造中的重要加工方法。
它是一个涉及到弹塑性力学、断裂力学、热力学及摩擦学等方面知识的复杂剪切应变过程，对其加工过程的研究一直是机械制造领域的一个热点和难点，常用的研究方法有理论研究方法、实验研究方法等，这些方法通常要选择工件、刀具、工艺参数等，然后建立数学模型、进行理论的分析并用切削实验来验证。
这些过程难度相当大，特别是由于切削过程是一个强热力耦合过程，解析理论结果很获得甚至不太可能的，而利用有限元分析模拟分析仿真技术，可有效的模拟该热力耦合过程，并能预测切削的形成过程和形状，获得工件及刀具的应力场、应变场、温度场、为刀具设计和切削工艺参数的选中提供便捷的参考。
在切削过程中，由于会产生塑性大变形并在切削与工件分离时会产生大量的热，同时变形速率很大，因此对于材料的塑性变形模型要考虑很强的热力耦合因素和应变速效的影响；由于弹性变形剧烈，有限元网格畸变严重，变形区处于动态变化过程中，因此有限元网格重划分也是需要重点考虑的；切削与基本金属分离以及分离以后切削的变形形态情况；还有就是刀具与切屑之间的接触摩擦问题，由于刀具与切屑之间的接触应力很大，同时温度又很高，因此接触区域不单单是简单的滑动摩擦问题，还有内摩擦问题，即材料可能发生融化而念着在刀具的前刀面上，这个粘着区与切屑的分离就属于内摩擦，该区域大小的判断也是需要考虑的；另外，由于切削的分、刀具模型相对复杂，需要用专用的三维实体设计软件完成，如此就需要考虑三维软件与有限元分析软件之间数学模型的转化问题。
考虑以上研究按照既定的研究工艺路线进行切削过程的有限元模拟计算。
2．2有限元方法分析过程概述
有限元法的基本思想是：
把要分析的连续体离散化，即将连续体变换成为有限个单元所组成的组合体，这些单元体之侧只是通过结点来连接和制约。
当连续体受到外力作用发生变形时，组成它的各个单元也将发生变形，因而各个结点要产生不同程度的位移，这种位移称为结点位移。
在有限元中，常以结点位移作为基本未知量。
并对每个单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数近似地表示单元内位移的分布规律，再利用力学理论中的变分原理或其他方法，建立结点力与位移之问的力学特性关系，得到一组以结点位移为未知量的代数方程，从而求解结点的位移分量。
然后利用插值函数确定单元集合体上的场函数。
具体的分析过程如下：
l、连续体的离散化
首先，应根据连续体的形状选择最能完满地描述连续体形状的单元。
常见的单元有：
杆单元，梁单元，三角形单元，矩形单元，四边形单元，曲边四边形单元，四面体单元，六面体单元以及曲面六面体单元等等。
其次，进行单元划分，单元划分完毕后，要将全部单元和结点按一定顺序编号，每个单元所受的荷载均按静力等效原理移植到结点上，并在位移受约束的结点上根据实际情况设置约束条件。
2、单元分析
建立各个单元的结点位移和结点力之问的关系式。
3、整体分析
整体分析是剥各个单元组成的整体进行分析。
它的目的是要建立起一个线性方程组，柬揭示结点外荷载与结点位移的关系，从而用来求解结点位移。
2．3有限元法求解的基本步骤及流程
2．3．1有限元法求解的分析步骤
用有限元法求解的一般分析步骤如下：
（1）建立有限元模拟初始模型，包括工件网格划分、材料模型、模具型腔几何信息及其运动和边界条件等各方面的信息：
（2）构造或生成初始速度场：
（3）计算各单元刚度矩阵和残余力向量，并进行斜约束处理：
（4）形成整体刚度矩阵和残余力向量，并引入速度约束条件消除奇异性：
（5）解整体刚度方程得到节点速度增量，修正节点速度并检查收敛情况，若收敛转入第（6）步，反之重复（3）～（5）：
（6）由几何方程和弹塑性本构关系求出应变率和应力场：
（7）确定增量变形时削步，并对工件构形、应变场和材料性能进行更新，同时检查工件接触边界并更新之：
（8）若预定变形未完成，则重复（3）～（7）步，直到变形结束。
2．3．2有限元法求解的基本流程
由于非线性问题的复杂性，利用有限元求解方法能够得到的解答是很有限的。
随着有限元方法在线性分析中的成功应用，它在非线性分析中的应用也取得了很大的进展，并且己经获得了很多不同类型的实际问题的求解流程方案，如图2:
图2流程方案
2.43D几何建模
有限元模型的建立就是将被研究对象的几何外形、材料特性和研究对象内部以及周围环境之间的相互作用有机结合的过程。
为了有效地运用有限元方法模拟金属切削过程，更好地揭示切削机理，在切削模型的建立过程中，需考虑以下关键问题：
工件材料的流动应力模型；有限元网格的划分；切屑分类准则；接触摩擦模型和磨损模型等。
此外，正确的简化模型不仅可以提高计算结果的精度，并且可以大大的减少计算的时间。
故本文作如下假设：
（1）在切削过程中，机床、刀具及工件组成的工艺系统的变形将影响切削的参数。
如果考虑这些因素的影响将使问题复杂化，不利于求解。
因此假定机床、夹具是刚性体。
（2）加工周围的环境温度对切削温度的分布有影响，为了方便起见，假定环境温度始终是20℃。
如图2-1所示
2.5网格划分准则
不同的单元形状对计算的结果和精度有很大的影响，应该根据所处理问题的实际情况选择不同的单元类型。
在三维金属成形模拟有限元软件分析中，常用到的单元主要有八节点六面体单元和混和四面体单元。
其中，八节点六面体单元适用于变形分析和热传导分析，但进行网格划分比较麻烦；混和四面体单元的几何特性是线性的，其网格划分相对较容易。
ABAQUS采用的是经过特殊处理的六面体单元。
通常情况下网格数量由给定的实体表面所划分的单元数目和网格密度控制参数两方面来决定。
对于给定大小工件（或刀具），网格密度增大，可以提高几何模型的分辨率，并提高应力、温度和应变等场变量的计算精度。
然而，一般来讲网格密度增大计
升级会员 