ABAQUS二维切削不同有限元仿真过程及其不同角度的云图优化.docx
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一、模型建立基本理论
1.1几何模型的建立
高速切削45钢AISI1045的二维正交切削模型如图1.1-1所示，工件模型为长方形，尺寸为1mm×2mm，切削厚度为0.2mm。
刀具做刚性处理，刀具前角为-10°，0°，10°，后角为5°。
切削速度分别取1m/s，5m/s，8m/s（即60m/min，300m/min，480m/min）。
工件为稳定性较好的简化积分四节点温度位移耦合减缩单元，工件侧边和底边被约束，且工件和刀具的边界温度为室温25℃。
在三种刀具前角和切削速度的情况下共建立9种切削过程。
图1.1-1正交切削模型（此例前角为+10°）
1.2材料本构模型的分析与选用
在切削过程中，工件在高温、大应变下发生弹塑性变形，被切削材料在刀具的作用下变成切屑时的时间很短，而且被切削层中各处的应变、应变速率和温度并不均匀分布且梯度变化很大。
因此能反映出应变、应变速率、温度对材料的流动应力影响的本构方程，在切削仿真中极其关键。
被切削工件材料从弹性变形到塑性变形，处于高温、大应变的条件下，最后被撕裂并脱离己加工表面形成切屑，整个切削过程是个非常复杂的非线性问题。
考虑各种因素对工件材料硬化应力的影响，应用Johnson-cook等向强化模[4]。
Johnson-Cook的数学表达
式及相关参数含义可表示为
né æ e öùé æT-T ömù
（ ）
o=éA+B（e）ùê1+CLnç ÷úê1-ç 0÷ú （2-1）
-8-
ë ûëê
çe s-1÷úê
øûë
è0
èTmelt-T0øúû
式中:
A、B、n、C、m是由材料自身决定的常数;Tmelt为材料的熔点;T0为室温;ε0为参考应变速率。
等号右边第一部分表示应变ε对流动应力σ的影响，第二部分表示应变速率ε0对
流动应力σ的影响，而最后一部分表示温度T对流动应力σ的影响。
45钢材料Johnson-
Cook本构方程A、B、C、n参数值如下表1.2.1所示。
表1.2.1本文采用的JOHNSON-COOK模型各参数
本构常数
A（Mpa）
B（MPa）
n
c
m
融化温度
过渡温度
AISI1045
546
487
0.25
0.027
0.63
1350
298
1.3材料的断裂准则
对45钢材料进行高速的切削时，会出现锯齿形的切屑，因此需要使用材料断裂准则对其进行定义，而材料的性质决定了断裂准则。
我们这里采用Johnson-Cook断裂准则，因为它综合考虑了应变、应变速率、应力及温度的影响，能较为准确地反映实际情况。
本文采用Johnson-cook剪切失效模型基于单元分点的等效塑性变形，当材料失效参数D超过1时，材料发生网络失效，单元应力为0，实现切屑和已加工表面的分离。
失效参数定义可表示为：
åæDeplö
（2-2）
D çe
式中，Depl为等效塑性应变增量；
= ç ÷
pl
è f ø
epll
ep由下式可得
0
f为失效应变。
其中，f
epl=éd+d æ
expd
pöùé
1+dLn
æeplöùæ1+d T-T
ö （2-3）
f ê
1
2
ç3
÷úê
4
ç
ë
è
qøûë
è
÷úç 5 ÷
e0øûè Tmelt-T0ø
本文采用文献[5]中AISI1045钢的损伤参数如下表1.3.1所示。
表1.3.1AISI1045钢的损伤参数
损伤参数
D1
D2
D3
D4
D5
AISI1045
0.1
0.76
1.57
0.005
-0.84
二、有限元模型的建立过程
采用Abaqus有限元软件模拟正交切削45钢AISI1045的稳态切削过程，在不同切削速度和刀具前角下仿真得到应力、应变和切削力曲线，其中切削速度分别为1m/s、5m/s、8m/s，刀具前角分别为-10°、0°、10°。
以下是9种切削过程的切削和变形区内的应力图，应变图和切削力曲线。
下面以刀具前角为10°，切削速度为8m/s为例模拟金属切削过程。
本文采用的统一单位：
N，Pa，m，s，K，J；软件版本：
6.14-1中文破解版（下文简单操作指令仍使用英文，以便区分和理解）。
（参考书籍[6-7]）
2.1建模
（1）新建模型
启动Abaqus软件，新建并保存新的模型为cutting。
（2）创建工件模型
选择主菜单中的part选项，选择下拉菜单，单击create，在弹出的CreatePart对话框中，设定模型的名称为workpiece，在建模空间选项中选择2DPlanar．类型选择Deformable，基本特征选择Shell，近似尺寸选择0.005。
点击Continue进入绘制草图步骤。
在随后出现的草图绘制模块中，绘制一个1×2mm的矩形平面图，选择矩形的右上角为坐标原点，其工件模型最后结果如图2.1-1所示。
点击Done完成上面的工件模型的绘制。
图2.1-1工件模型草图
（3）创建刀具模型
按照以上方法再次创建一个模型，模型的名称为dao，建模空间选项中选择2DPlanar．类型选择Analyticalrigid（解析刚体），近似尺寸选择0.005。
点击Continue进入草绘，按照图2.1-2所示尺寸，绘制完后点击Done完成刀具模型的绘制。
图2.1-2刀具模型草图
选择主菜单中的Tools选项，选择下拉菜单，单击ReferencePoint，根据视图窗口左下角的提示，点击刀具模型的右上角顶点作为参考点，操作后在刀具模型右上角会出现RP字样。
（4）创建网格部件
部件绘制完成后，在Module下拉菜单中选择Mesh进入网格化模块。
在网格划分之前先对工件结构分区，这样做的目的是切削工作区划分网格细一点，而远离工作区的则少布种，网格稀疏一点。
在主菜单中选择Tools——Partition，然后会弹出CreatePartition对话框，类型选择Face，方法选择Sketch，进入草绘区，按照所示对工件完成结构分区，形成上下两个矩形块。
在网格化之前必须对工件模型的各条边撒种子。
在菜单栏中选择Seed，会弹出一系列撒种方式以及删除撒种的选项，选择为边布种。
按种子数布种分别为上矩形短边20个，三条长边100个；下矩形短边按单精度布种，种子数25，偏移为5。
如图2.1-3和2.1-4。
图2.1-3上矩形短边布种
图2.1-4下矩形短边布种
撒种完成后定义工件模型的网格形状控制参数。
在菜单栏中选择Mesh，在弹出的选项中选择网格控制选项Controls，出现选择区域窗口。
框选整个工件后点击Done确认。
弹出的网格控制对话框如图2.1-5。
元素形状选项选择Quad，技术选项卡选择Structured。
其余选项默认，点击OK按钮完成上矩形的控制参数设置。
图2.1-5网格控制
下一步是元素类型的设定。
在菜单栏中选择Mesh，在下拉菜单中选择ElementType，同网格形状控制参数设置一样，先选择整个零件点击Done确认。
弹出图2.1-6所示的对话框，单元库选择Explicit，在元素库中选择温度—位移藕合的元素族，几何阶次选择线性。
元素控制选项卡中，分析选择平面应变，勾选二次计算精度，沙漏控制选项勾选Relaxstiffness
（松弛刚度），其余设置为默认，点击OK按钮完成设定。
图2.1-6单元类型
最后完成网格化操作。
在菜单栏选择Mesh——Part，单击Yes完成网格化操作，网格化后的模型如图2.1-7所示。
图2.1-7网格化模型
（5）创建网格零件
保持网格化之后的工件零件视图，点击菜单栏中的Mesh，在下拉菜单中选择CreateMesh
Part，给网格刀具取一个名称workpiece-mesh，回车后在主窗口就生成了一个绿色的网格工件。
2.2定义AISI1045的材料属性
（1）定义工件的材料参数
在Module下拉菜单中选择Property进入Property模块，在主菜单中选择Material—
Create，创建一个新的材料，新材料取名为AISI1045，在General—Density选项中，在Mass
Density（密度）输入7850。
选择Mechanical—Elasticity——Elastic，在Data选项卡中，分别设置Young'sMod（杨氏模量）和Poisson'sRatio（泊松比）的值为205E9和0.29。
选择
Mechanical—Plastic，在Hardening选项中选择Johnson-Cook，本选项选择了代表金属材料塑性行为的本构方程，对于仿真结果的准确性有根本的影响，因此应根据实际情况合理选择本构形式。
本人作者通过查阅相关文献得到如表1.2.1所示的J-C本构模型；断裂损伤选用Johnson-Cook损伤，参数如表1.3.1所示。
按照表中所示的数据输入各项参数，这些参数设定了应变率对材料性能的影响。
传导率为49.8，比热为486，线膨胀系数如表2.2.1。
完成材料属性定义之后，点击OK完成材料属性的编辑，在点击Dismiss关闭材料编辑器对话框。
表2.2.1AISI1045线膨胀系数
q，K
373
473
573
a
（m/（106K）
1.16
1.23
1.31
（2）设置截面属性
从主菜单中选择Section—Create，在CreateSection对话框中定义这个区域为Section-
work，在Category选项中接受Solid，在Type选项中接受Homogeneous，点击Continue。
在EditSection选项中选择金属材料AISI1045，勾选平面应力位变厚度并保持为1，点击OK完成此截面的设置。
（3）赋予截面材质
在主菜单中选择Assign——Section，出现区域选择的提示，框选视图中的整个网格零件并点击Done确认，出现EditSectionAssignment对话框如图2.2-1所示。
默认所有选项，点击OK完成赋予截面材质的操作。
网格工件的颜色变成蓝色表示对workpiece-mesh零件赋材质操作成功。
-22-
2.3模型的装配
图2.2-1赋予材料属性
（1）调入工件与刀具
在Module下拉菜单中选择Assembly进入Assembly模块，从主菜单中选择Instance—
Create，在CreateInstance对话框中选中零件workpiece-mesh和dao，部件的预览图像就出现在主窗口中（如图2.3-1所示），点击Apply之后就调入了网格工件，装配体的坐标原点
默认为此网格零件的坐标原点。
此后调入的零件
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