切削加工有限元模擬

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上鋁合金A357切削加工有限元模擬1鋁合金A357切削加工有限元模型金屬切削加工有限元模擬，是一個非常復(fù)雜的過程。這是因?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)中，影響加工精度、表面質(zhì)量的因素很多，諸如:刀具的兒何參數(shù)、裝夾條件、切削參數(shù)、切削路徑等。這些因素使模擬過程中相關(guān)技術(shù)的處理具有較高的難度。本文建立的金屬正交切削加工熱力耦合有限元模型是基于以下的假設(shè)條件:（1）刀具是剛體且鋒利，只考慮刀具的溫度傳導(dǎo);（2）忽略加工過程中，由于溫度變化引起的金相組織及其它的化學(xué)變化;（3）被加工對象的材料是各向同性的；（4）不考慮刀具、工件的振動；（5）由于刀具和工件的切削厚度方向上，切削工程中層厚不變，所

2、以按平面應(yīng)變來模擬；1.1材料模型1.1.1A357的Johnson-Cook本構(gòu)模型材料本構(gòu)模型用來描述材料的力學(xué)性質(zhì)，表征材料變形過程中的動態(tài)響應(yīng)。在材料微觀組織結(jié)構(gòu)一定的情況下，流動應(yīng)力受到變形程度、變形速度、及變形溫度等因素的影響非常顯著。這些因素的任何變化都會引起流動應(yīng)力較大的變動。因此材料本構(gòu)模型一般表示為流動應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度等變形參數(shù)之間的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系。建立材料本構(gòu)模型，無論是在制定合理的加工工藝方面，還是在金屬塑性變形理論的研究方面都是極其重要的。在以塑性有限元為代表的現(xiàn)代塑性加工力學(xué)中，材料的流動應(yīng)力作為輸入時的重要參數(shù)，其精確度也是提高理論分析可靠度的關(guān)鍵。在本課題

3、研究中，材料本構(gòu)模型是切削加工數(shù)值模擬的必要前提，是預(yù)測零件銑削加工變形的重要基礎(chǔ)，只有建立了大變形情況下隨應(yīng)變率和溫度變化的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，才能夠準(zhǔn)確描述材料在切削加工過程的塑性變形規(guī)律，繼而才能在確定的邊界條件和切削載荷下預(yù)測零件的變形大小及趨勢。在切削過程中，工件在高溫、大應(yīng)變下發(fā)生彈塑性變形，被切削材料在刀具的作用下變成切屑時的時間很短，而且被切削層中各處的應(yīng)變、應(yīng)變速率和溫度并不均勻分布且梯度變化很大。因此能反映出應(yīng)變、應(yīng)變速率、溫度對材料的流動應(yīng)力影響的本構(gòu)方程，在切削仿真中極其關(guān)鍵。當(dāng)前常用的塑性材料本構(gòu)模型主要有：Bodner-Paton、Follansbee-Kocks、Joh

4、nson-Coo、 Zerrilli-Armstrong等模型，而只有Johnson-Cook模型描述材料高應(yīng)變速率下熱粘塑性變形行為。JohnsonCook模型認(rèn)為材料在高應(yīng)變速率下表現(xiàn)為應(yīng)變硬化、應(yīng)變速率硬化和熱軟化效應(yīng)，JohnsonCook模型如下所示： 式中第一項(xiàng)描述了材料的應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)，第二項(xiàng)反映了流動應(yīng)力隨對數(shù)應(yīng)變速率增加的關(guān)系，第三項(xiàng)反映了流動應(yīng)力隨溫度升高指數(shù)降低的關(guān)系。、Tr分別表示參考應(yīng)變速率和參考溫度，Tm為材料熔點(diǎn)。式中A、B、n、C、m、D、k是7 個待定參數(shù)；A、B、n表征材料應(yīng)變強(qiáng)化項(xiàng)系數(shù)；C表征材料應(yīng)變速率強(qiáng)化項(xiàng)系數(shù)；m表征材料熱軟化系數(shù)；,分別為常溫材料熔點(diǎn)

5、。1.1.2材料失效準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)切屑從工件分離本文采用的是剪切失效模型。剪切失效模型是基于等效塑性應(yīng)變在積分點(diǎn)的值，當(dāng)損傷參數(shù)達(dá)到1時，單元即失效，失效參數(shù)定義如下： 式中：為失效參數(shù)，為等效塑性應(yīng)變初始值，為等效塑性應(yīng)變增量，為失效應(yīng)變。失效應(yīng)變設(shè)定以來于以下幾個方面：依據(jù)塑性應(yīng)變率，無量綱壓應(yīng)力與偏應(yīng)力之比p/q(p為壓應(yīng)力，q為Mises應(yīng)力),溫度，預(yù)定義域變量。這里采用JohnsonCook模型定義失效應(yīng)變。= 式中：為低于轉(zhuǎn)變溫度的條件下測得的實(shí)效常數(shù)。為參考應(yīng)變率， 為塑性應(yīng)變率。由下式確定： 是當(dāng)前溫度，是熔點(diǎn)，是室溫。下圖描述了材料在遭受破壞時的應(yīng)力應(yīng)變的特征。各向同性強(qiáng)化彈塑性

6、材料的破壞有兩種形式：屈服應(yīng)力的軟化和彈性的退化，圖1.1中實(shí)線代表了材料已經(jīng)破壞的應(yīng)力應(yīng)變的響應(yīng)，而虛線是當(dāng)破壞不存在的時候的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)。圖1.1累進(jìn)損傷退化應(yīng)力應(yīng)變圖1.1中和為材料開始損傷時的屈服應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變。是材料失效時即圖中D=1時的等效塑性應(yīng)變。材料失效時的等效塑性應(yīng)變依賴于單元的特征長度，不能作為描述材料損傷演化的準(zhǔn)則。相反，材料損傷演化的準(zhǔn)則又等效塑性位移或者斷裂耗散能量決定。當(dāng)材料開始損傷破壞時，應(yīng)力應(yīng)變曲線已經(jīng)不能準(zhǔn)確的描述材料的行為。繼續(xù)應(yīng)用該應(yīng)力應(yīng)變曲線會導(dǎo)致應(yīng)變集中，變化過于依賴建模時所畫的網(wǎng)格，以致當(dāng)網(wǎng)格變密后耗散能量反而降低。Hillerborg能量失效法

7、被提出用應(yīng)力位移響應(yīng)曲線來表征破壞過程減少了分析對網(wǎng)格的依賴性。利用脆性斷裂概念定義一個使單元破壞的能量Gf作為材料的參數(shù)。通過這種方法，損傷開始的軟化效應(yīng)是一種應(yīng)力位移響應(yīng)而不是應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)。破壞能量有下式表示： （2.12）表達(dá)式中的為等效塑性位移，它描述了當(dāng)損傷開始之后裂紋變化的屈服應(yīng)力，在損傷開始之前=0.在損傷開始之后=L，L為與積分點(diǎn)相關(guān)的單元特征長度，單元特征長度的定義基于單元的集合形狀，平面單元長度為積分點(diǎn)區(qū)域面積的平方根，而立方體單元長度為積分點(diǎn)區(qū)域體積的立方根。基于有效塑性位移定義損傷演化用Linear方法定義即如下圖所示：圖Error! No text of specif

8、ied style in document.2線性損傷演化 該準(zhǔn)則使有效塑性位移達(dá)到=時，材料的剛度完全喪失，模型的失效網(wǎng)格被自動刪除，也就是材料此時發(fā)生斷裂，切屑開始形成Error! Reference source not found.。1.1.3 A357與刀具材料參數(shù)A357鋁合金，密度=2680Kg/m3,彈性模量E=79GP，泊松比=0.33其他參數(shù)如下表刀具使用的是硬質(zhì)合金，密度=15000Kg/m3,彈性模量E=210GP，泊松比=0.22其其它參數(shù)如下表表1.1 A357的化學(xué)成分合金ALSiMgTiMnBeFeA357(%)基體6.57.00.550.60

9、0.20.040.070.08表1.2 A357熱導(dǎo)率，K300400500600700800，W/(m.)18192020.621.622.2表1.3 A357比熱容，K300400500600700800C，J/（Kg K）253.0259.0265.2271.6278.1285.4表1.4 A357線膨脹系數(shù)，K300400500600700800，10-6K14.2614.7815.3115.8516.4317.06表1.5 A357 Johnson-Cook 模型材料參數(shù)材料      A/ GPa  B/ GPa 

10、; n      C      m    Tm/K    p"o C $S7N!nt n2024鋁  0.265  0.426  0.34  0.015  1.00  933 材料A（Mpa）B（Mpa）ncmA357370.41798.70.733150.01281.5282表1.5 刀具材料參數(shù)楊氏模量泊松比（Mpa）線膨脹

11、系數(shù)（m/m.）比熱(J/kg. )導(dǎo)熱率(W/m.k)8E+110.224.7E-62004.6E11.2摩擦模型金屬切削過程中，刀具前刀面的摩擦狀態(tài)非常復(fù)雜，通常把前刀面得摩擦區(qū)分為粘結(jié)區(qū)和滑動區(qū)，粘結(jié)區(qū)的摩擦狀態(tài)與材料的臨界剪應(yīng)力有關(guān)，滑動區(qū)可近似認(rèn)為摩擦系數(shù)為常值可以用下式來表示：（2.14）式中：為接觸面的滑動剪切應(yīng)力；為摩擦系數(shù)；為接觸面上的壓力；為材料的臨界屈服壓力。1.2.1質(zhì)量放大質(zhì)量放大可以在不人為的提高加載速率的情況下縮短計(jì)算時間。對于含有率相關(guān)材料或率相關(guān)阻尼的問題，由于材料的應(yīng)變率與加載速率成正比，所以不能以提高加載速率的方法來減少計(jì)算成本，只能用質(zhì)量放大的方法。穩(wěn)定

12、時間增量的表達(dá)式如下：式中，為特征單元長度，為材料的膨脹波速，E為材料的彈性模量，為材料的泊松比。從式中可以看出將材料密度增加倍，則材料波速就會下降n倍，從而將穩(wěn)定時間增加量提高n倍。當(dāng)全局的穩(wěn)定極限增加時，進(jìn)行同樣的分許所需要的增量步就會減少，所需的計(jì)算時間也會相應(yīng)減少，這就是質(zhì)量放大的目的。 本次模擬中E=pa, =2680kg/m3 =0.00001m 所以增量步時間要取5.8E-8 s 只有按這個數(shù)值計(jì)算才是準(zhǔn)確的，所以一個計(jì)算事例會話費(fèi)很多時間。但是人為的提高加載速率和放大質(zhì)量對模型具有相同的影響，即會提高模型的慣性力，使動態(tài)效果增加。因此無論是人為的增加加載速率還是用質(zhì)量放大都是有

13、一定的限度的，過大的質(zhì)量放大系數(shù)和過度提高加載速率都有可能導(dǎo)致錯誤的結(jié)果。在實(shí)際的模擬過程中，如何確定一個合理的放大系數(shù)或者一個合理的加載速率是非常重要的問題，這在很大程度上依賴于分析者的經(jīng)驗(yàn)。由于切削仿真是一個比較復(fù)雜，單元量較大且是三維六面體單元，同時計(jì)算時間比較長，所以計(jì)算量比較大。在這里我們通過大量的對比分析，采用適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量放大系數(shù)，保證計(jì)算結(jié)果精確度的同時盡可能的加快計(jì)算速度。2 abaqus商用仿真軟件中限元模型建立 2.1建立部件 （本文采用的統(tǒng)一單位：N, Pa, m, s, K, J 軟件版本：6.8-1）（K是華氏溫度 室溫的20°C就是297K） 1.啟動ABA

14、QUS，選擇主菜單中的Part選項(xiàng)，選擇下拉菜單，單擊Create,如圖2-1-1所示。圖2-1-12.創(chuàng)建未變形切屑模型。（就是切削下來的0.1mm的切削層）在彈出的對話框中，設(shè)定模型的名稱為CHIP，在建?？臻g選項(xiàng)中選擇2DPlanar類型選擇Deformable，基本特征選擇Shell，近似尺寸選擇。0.01。點(diǎn)擊Continue進(jìn)入繪制草圖步驟。圖2-1-2在隨后出現(xiàn)的草圖繪制模塊中，按照圖2-1-3所示的尺寸建立一個平面圖；(圖中100E-6m就是你要求的初始分析的切削厚度0.1mm) 去切削長度為2E-3m(如果建立15mm的模型就會很大對加工精度沒有太大作用反而影響計(jì)算時間)圖2

15、-1-3點(diǎn)擊Done完成上面的未變形切削模型的繪制。 3.創(chuàng)建分離線（就是刀具切削時未變形切屑和坯料連接的部分即割斷部分尺寸非常小）。用同樣的方法打開創(chuàng)建零部件對話框，給零件起一個名稱為JOINT, 在建?？臻g選項(xiàng)中選擇2DPlanar類型選擇Deformable，基本特征選擇Shell，近似尺寸選擇0.01。點(diǎn)擊Continue進(jìn)入繪制草圖步驟。繪制一個矩形線框，長度為0.002，寬度為5E-6。為了以后的裝配方便將矩形右下角的頂點(diǎn)設(shè)置在原點(diǎn)位置，點(diǎn)擊Done完成上面的未變形切削模型的繪制。 4.創(chuàng)建工件的幾何模型。（就是把坯料切下來以后剩下的毛坯）用同樣的方法打開創(chuàng)建零部件對話框，給零件起

16、一個名稱為WORK_PIECE, 在建模空間選項(xiàng)中選擇2DPlanar類型選擇Deformable，基本特征選擇Shell，近似尺寸選擇0.01。點(diǎn)擊Continue進(jìn)入繪制草圖步驟。繪制一個矩形線框，長度為0.002，寬度為6E-4。為了以后的裝配方便將矩形右下角的頂點(diǎn)設(shè)置在原點(diǎn)位置，點(diǎn)擊Done完成上面的未變形切削模型的繪制。 （以上創(chuàng)建的未變形切屑模型、分離線和工件的幾何模型通過一定的關(guān)系連接起來就是一個完整的毛坯定義，也可以用其他的定義方式，不過這樣的定義比較詳細(xì)計(jì)算精度也高一些） 5.創(chuàng)建刀具模型。按照以上方法再次創(chuàng)建一個名為CULTER的2D平面可變模型，近似尺寸選擇0.01。進(jìn)入

17、草繪繪制模板中，按照圖2-1-4所示尺寸繪制，（刀具模型重要的就是前角后角大小和它與坯料作用的部分所以模型中值體現(xiàn)出您設(shè)置的的角度而并沒有按照4X4X4畫出，那樣的話模型就會很大，浪費(fèi)計(jì)算時間而且不會對計(jì)算精度有任何提高）繪制完后點(diǎn)擊Done完成上面的未變形切削模型的繪制。圖2-1-46未變形切削、分離線及工件基體模型網(wǎng)格畫。進(jìn)入PART模塊在下拉菜單中選擇CHIP將未變形切削模型調(diào)入試圖，在在MODULE下拉菜單中選擇MESH進(jìn)入網(wǎng)格化模塊，具體操作如圖2-1-5圖2-1-5在菜單欄中選擇Seed，會彈出如圖2-1-6所示的一系列撒種方式以及刪除撒種的選項(xiàng)，選擇其中的均勻撒種工具Edge B

18、y Number。選擇矩形的頂部長邊，再點(diǎn)擊提示欄中的Done。之后輸入種子數(shù)125并回車，完成長邊的撒種。接著用同樣的方式給其他邊撒上種子，在下部的長邊種子數(shù)為125，兩個短邊的種子數(shù)為10，相當(dāng)于劃分了（0.016mmX0.01mm的單元因?yàn)檫@里是主要的變形區(qū)所以網(wǎng)格劃分要細(xì)?。D2-1-6 撒種完成后定義工件模型的網(wǎng)格形狀控制參數(shù)。如圖2-1-7所示，在菜單欄中選擇Mesh，在彈出的選項(xiàng)中選擇網(wǎng)格控制選項(xiàng)Controls，出現(xiàn)選擇區(qū)域窗口。框選整個零件后點(diǎn)擊Done確認(rèn)。彈出的網(wǎng)格控制對話框如圖2-1-8。元素形狀選項(xiàng)選擇Quad，技術(shù)選項(xiàng)卡選擇Structured。其余選項(xiàng)默認(rèn)，點(diǎn)擊

19、OK按鈕完成控制參數(shù)設(shè)置。圖2-1-7圖2-1-8 下一步的重要步驟是元素類型的設(shè)定。在菜單欄中選擇Mesh，在圖2-1-9所示的彈出菜單中選擇Element Type，框選整個零件后點(diǎn)擊Done確認(rèn)。彈出圖1-11所示的對話框，在元素庫中選擇溫度一位移藕合的元素族，幾何次數(shù)選擇線性。元素控制選項(xiàng)卡中，分析選擇平面應(yīng)變，勾選二次計(jì)算精度，Distortion control一項(xiàng)勾選Yes并輸入Length ratio 0.8，沙漏控制選項(xiàng)勾選Relax stiffness，其余設(shè)置為默認(rèn)，點(diǎn)擊OK按鈕完成元素類型設(shè)定。圖2-1-9最后完成網(wǎng)格化操作。在菜單欄選擇Mesh，在圖2-1-10所示的

20、彈出菜單中選擇Part，單擊yes完成網(wǎng)格化操作，網(wǎng)格化后的模型如圖2-1-11所示。圖2-1-10圖2-1-11使用以上相同的方法給分離線模型撒種。長度方向兩條邊種子數(shù)為250，寬度方向不撒使用相同的網(wǎng)格形狀控制參數(shù)以及元素類型，并進(jìn)行網(wǎng)格化操作。網(wǎng)格化之后的分離線另部放大如圖2-1-12所示。圖2-1-12使用以上相同的方法給工件基體模型撒種。長度方向兩條邊種子數(shù)為250，寬度方向兩條邊數(shù)為10。使用相同的網(wǎng)格形狀控制參數(shù)以及元素類型，并進(jìn)行網(wǎng)格化操作。網(wǎng)格化之后的工件基體模型如圖2-1-13所示。圖2-1-13（毛坯中各個部分所畫的網(wǎng)格大小不同是因?yàn)楦魈帉ξ覀兯^察的結(jié)果影響不同，影響

21、大的部分所劃分的網(wǎng)格就小，反之則大）7.刀具模型網(wǎng)格化。在Mesh模塊的Part下拉菜單中選擇CULTER調(diào)入刀具零件，前刀面(左側(cè)傾斜邊)和后刀面(底邊)使用密度偏離方式撒種，其他邊采用均勻撒種。在菜單欄中選擇Seed，會彈出如圖2-1-6所示的一系列撒種方式以及刪除撒種的選項(xiàng)，選擇其中的Edge Biased。在前刀面的下端點(diǎn)擊，點(diǎn)擊Done之后輸入密度偏離系數(shù)10和種子數(shù)30，完成前刀面的撒種;繼續(xù)在后刀面的左側(cè)點(diǎn)擊，點(diǎn)擊Done之后輸入密度偏離系數(shù)10和種子數(shù)30，完成后刀面的撒種。 在圖2-1-6所示的彈出選項(xiàng)中選擇均勻撒種工具Edge By Number，;在頂邊上點(diǎn)擊，點(diǎn)擊Don

22、e之后輸入種子數(shù)6，完成頂邊撒種;繼續(xù)在右側(cè)豎直邊上點(diǎn)擊，點(diǎn)擊Done之后輸入種子數(shù)8，完成右側(cè)邊的撒種;點(diǎn)擊Done完成撒種步驟。 撒種完成后定義刀具模型的網(wǎng)格形狀控制參數(shù)。如圖2-1-7所示，在菜單欄中選擇Mesh，在彈出的選項(xiàng)中選擇網(wǎng)格控制選項(xiàng)Controls，彈出的網(wǎng)格控制對話框如圖2-1-8。元素形狀選項(xiàng)選擇Tri，技術(shù)選項(xiàng)卡選擇free，點(diǎn)擊區(qū)OK按鈕完成控制參數(shù)設(shè)置。 形狀控制參數(shù)設(shè)置完成后進(jìn)行元素類型的設(shè)定。在菜單欄中選擇Mesh，在圖2-1-9所示的彈出菜單中選擇Element Type，彈出圖1-11所示的對話框。在顯式元素庫中選擇溫度一位移耦合的元素族，幾何次數(shù)選擇線性。

23、元素控制選項(xiàng)卡中，分析類型選擇平面應(yīng)變，勾選二次計(jì)算精度，沙漏控制選項(xiàng)選擇Relax stiffness，點(diǎn)擊OK按鈕完成元素類型設(shè)定。最后完成網(wǎng)格化操作。在菜單欄選擇Mesh，在圖1-10所示的彈出菜單中選擇Part，單擊回按鈕完成網(wǎng)格化操作，網(wǎng)格化后的刀具模型如圖2-1-14所示。圖2-1-148.創(chuàng)建網(wǎng)格零件。保持網(wǎng)格化之后的刀具零件視圖，在菜單欄選擇Mesh，在圖2-1-10所 示的彈出菜單中選擇Create Mesh Part，給網(wǎng)格刀具取一個名稱CULTLER- MESH，回車后在主窗口就生成了一個綠色的網(wǎng)格工件。將Part下拉菜單點(diǎn)開并選擇CHIP, 以同樣的方法創(chuàng)建一個名稱為C

24、HIP- MESH的未變形切屑網(wǎng)格零件;以同樣的方法創(chuàng)建名稱為JOINT- MESH的分離線網(wǎng)格零件和名稱為WORKPIECE- MESH的工件基體網(wǎng)格零件。在圖2-1-5所示名稱為Module的下拉菜單中選擇Part，在名稱為Part的下拉菜單中可以看到多了四個剛剛創(chuàng)建的網(wǎng)格零件，選擇其中一個之后在窗口中就出現(xiàn)了對應(yīng)的網(wǎng)格零件。在下拉菜單中選擇CULTLER- MESH，并從主菜單中選擇Tools. . Reference Point，在刀具零件的右上角頂點(diǎn)上點(diǎn)擊，為刀具零件創(chuàng)建了一個參考點(diǎn)，此參考點(diǎn)方便于后續(xù)步驟中載荷的施加以及刀具切削力的輸出。以下的建模過程都是基于這四個網(wǎng)格零件而進(jìn)行的

25、。點(diǎn)擊工具欄的保存按鈕給文件取一個名稱并保存。2.2創(chuàng)建材料1.定義各零部件的材料參數(shù)。進(jìn)入Property模塊，在主菜單中選擇Material.Create來一個新的材料。新材料取名為A357，在GeneralDensity選項(xiàng)中，輸入Mass Density（密度）2680(kg/m3)。選擇Mechanical.Elasticity.Elastic，在Data選項(xiàng)卡中，分別設(shè)置Young' s Mod（楊氏模量）和Poisson's Ratio（泊松比）的值為7.9E10和0. 33。選擇Mechanical.Plastic，在Hardening選項(xiàng)中選擇Johnson

26、Cook，本選項(xiàng)選擇了代表金屬材料塑性行為的本構(gòu)方程，對于仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性有根本的影響，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際工習(xí)合理選擇本構(gòu)形式。按照圖2-2-1所示的數(shù)據(jù)行輸入各項(xiàng)參數(shù);點(diǎn)擊圖2-2-1中的Suboptior按鈕，在彈出的下拉菜單中選擇Rate Dependent，同樣在Hardening選項(xiàng)中選擇JohnsoCook,輸入C的值0. 0157 , Epsilon dot zero的值1，這些參數(shù)設(shè)定了應(yīng)變率對材料性能白影響。Johnson-Cook 材料模型及失效模型JC模型的公式是基于實(shí)驗(yàn)得到的。JC模型中，流動應(yīng)力(flow stress)可以表示為以下形式 = A + Bn1 + Cln*

27、1 - T*m(1)式中- effective stress- effective plastic strain* - normalized effective plastic strain rate (typically normalized to a strain rate of 1.0 s-1)n - work hardening exponentA, B, C, m - constants. T* = (T-298)/(Tmelt-298)(2)Tmelt - melting temperature由此材料的強(qiáng)度是應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度的函數(shù)。JC模型假設(shè)材料為各向同性材料。方程(1)中的

28、 A, B, C, n 和 m 來自實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對于大變形問題，可以假設(shè)在變形過程中，塑性功的任意百分比在變形材料中產(chǎn)生熱量。對于許多材料，90-100%的塑性功作為熱量在材料中散失。因此，方程(1)中使用的溫度可以根據(jù)下面的表達(dá)式從溫度上升中導(dǎo)出：T =() d/c(3)式中T - temperature increase - percentage of plastic work transformed to heatc - heat capacity - densityJC材料模型的斷裂由下面的累積損壞法則導(dǎo)出D = (/f)(4)式中f = D1 + D2exp(D3*)1+D4ln*1+

29、D5T* (5) - increment of effective plastic strain during an increment in loading* - mean stress normalized by the effective stressD1, D2, D3, D4, D5 - constants當(dāng)D = 1時發(fā)生失效。失效應(yīng)變f和損傷的累積，是平均應(yīng)力、應(yīng)變率和溫度的函數(shù)。材料 Ti-6Al-4V TitaniumA： 1098 MPa (159.246 ksi)B： 1092 MPa (158.376 ksi)n： 0.93C：0.014m：1.1D1：-0.090D2

30、：0.270D3：0.480D4：0.014D5：3.870材料 2024-T3 AluminumA：369 MPa (53.517 ksi)B：684 MPa (99.202 ksi)n：0.73C：0.0083m：1.7D1：0.112D2：0.123D3：1.500D4：0.007D5：0.045號鋼溫度范圍(C) 熱膨脹系數(shù)(/C)20-100 11.59e-620-200 12.32e-620-300 13.09e-620-400 13.71e-620-500 14.18e-620-600 14.67e-6圖2-2-1再選擇Mechanical. . Expansion(線膨脹系數(shù))

31、，選中Use temperature-dependent data復(fù)選框，按照圖2-2-2所示的數(shù)據(jù)行。選擇Thermal. . Conductivity，選中Use temperature-dependent data復(fù)選框，在相應(yīng)的Conductivity（熱傳導(dǎo)率）數(shù)據(jù)欄中輸入如圖2-2-3所示的數(shù)據(jù)行，選擇ThermalInelastic Heat Fraction，在相應(yīng)的Fraction數(shù)據(jù)欄中輸入0. 9，選擇Thermal. .即specific-Heat（比熱容），在相應(yīng)的數(shù)據(jù)欄中輸入如圖2-2-4摩擦系數(shù)低碳鋼與低碳鋼 0.005 淬火鋼與淬火鋼 0.001 鑄鐵與鑄鐵 0

32、.005 木材與鋼 0.030.04 木材與木材 0.050.08這與金剛石砂輪的材料有關(guān)系金剛石砂輪的材料有很多給你個表格，你看看是哪種材料查一下就有了常用材料摩擦系數(shù)摩 擦 系 數(shù) 摩擦副材料 摩 擦 系 數(shù) 無潤滑 有潤滑 鋼-鋼 0.15* 0.1-0.12* 0.1 0.05-0.1 鋼-軟鋼 0.2 0.1-0.2 鋼-不淬火的T8 0.15 0.03 鋼-鑄鐵 0.2-0.3* 0.05-0.15 0.16-0.18 鋼-黃銅 0.19 0.03 鋼-青銅 0.15-0.18 0.1-0.15* 0.07 鋼-鋁 0.17 0.02 鋼-軸承合金 0.2 0.04 鋼-夾布膠木

33、0.22 - 鋼-鋼紙 0.22 - 鋼-冰 0.027* - 0.014 石棉基材料-鑄鐵或鋼 0.25-0.40 0.08-0.12 皮革-鑄鐵或鋼 0.30-0.50 0.12-0.15 材料(硬木)-鑄鐵或鋼 0.20-0.35 0.12-0.16 軟木-鑄鐵或鋼 0.30-0.50 0.15-0.25 鋼紙-鑄鐵或鋼 0.30-0.50 0.12-0.17 毛氈-鑄鐵或鋼 0.22 0.18 軟鋼-鑄鐵 0.2*,0.18 0.05-0.15 軟鋼-青銅 0.2*,0.18 0.07-0.15 鑄鐵-鑄鐵 0.15 0.15-0.16 0.07-0.12 鑄鐵-青銅 0.28* 0.

34、16* 0.15-0.21 0.07-0.15 鑄鐵-皮革 0.55*,0.28 0.15*,0.12 鑄鐵-橡皮 0.8 0.5 皮革-木料 0.4-0.5* - 0.03-0.05 銅-T8鋼 0.15 0.03 銅-銅 0.20 - 黃銅-不淬火的T8鋼 0.19 0.03 黃銅-淬火的T8鋼 0.14 0.02 黃銅-黃銅 0.17 0.02 黃銅-鋼 0.30 0.02 黃銅-硬橡膠 0.25 - 黃銅-石板 0.25 - 黃銅-絕緣物 0.27 - 青銅-不淬火的T8鋼 0.16 - 青銅-黃銅 0.16 - 青銅-青銅 0.15-0.20 0.04-0.10 青銅-鋼 0.16

35、- 青銅-夾布膠木 0.23 - 青銅-鋼紙 0.24 - 青銅-樹脂 0.21 - 青銅-硬橡膠 0.36 - 青銅-石板 0.33 - 青銅-絕緣物 0.26 - 鋁-不淬火的T8鋼 0.18 0.03 鋁-淬火的T8鋼 0.17 0.02 鋁-黃銅 0.27 0.02 鋁-青銅 0.22 - 鋁-鋼 0.30 0.02 鋁-夾布膠木 0.26 - 硅鋁合金-夾布膠木 0.34 - 硅鋁合金-鋼紙 0.32 - 硅鋁合金-樹脂 0.28 - 硅鋁合金-硬橡膠 0.25 - 硅鋁合金-石板 0.26 - 硅鋁合金-絕緣物 0.26 - 鋼-粉末冶金 0.35-0.55* - 木材-木材 0.

36、4-0.6* 0.1* 0.2-0.5 0.07-0.10 麻繩-木材 0.5-0.8* - 0.5 45號淬火鋼-聚甲醛 0.46 0.016 45號淬火鋼-聚碳酸脂 0.30 0.03 45號淬火鋼-尼龍9(加 0.57 0.02 3%MoS2填充料) 45號淬火鋼-尼龍9(加 0.48 0.023 30%玻璃纖維填充物) 45號淬火鋼-尼龍1010 0.039 - (加30%玻璃纖維填充物) 45號淬火鋼-尼龍1010 0.07 - (加40%玻璃纖維填充物) 45號淬火鋼-氯化聚醚 0.35 0.034 45號淬火鋼-苯乙烯 0.35-0.46 0.018 -丁二烯-丙烯腈共聚 體(A

37、BS) 注:1.表中滑動摩擦系數(shù)是試驗(yàn)數(shù)值,只能作為近似計(jì)算參考. 2.表中帶"*"者為靜摩擦系數(shù). 各 種 工 程 用 塑 料 的 摩 擦 系 數(shù) 下試樣 上 試 樣(鋼) 上 試 樣(塑料) 靜摩擦 動摩擦 靜摩擦 動摩擦 (塑料) 系數(shù)s 系數(shù)k 系數(shù)s 系數(shù)k 聚四氟乙烯 0.10 0.05 0.04 0.04 聚全氟乙丙烯 0.25 0.18 - - 低密度聚乙烯 0.27 0.26 0.33 0.33 高密度聚乙烯 0.18 0.08-0.12 0.12 0.11 聚甲醛 0.14 0.13 - - 聚偏二氟乙烯 0.33 0.25 - - 聚碳酸酯 0.60

38、0.53 - - 聚苯二甲酸乙 0.29 0.28 0.27* 0.20* 二醇酯 聚酰胺(尼龍66) 0.37 0.34 0.42* 0.35* 聚三氟氯乙烯 0.45* 0.33* 0.43* 0.32* 聚氯乙烯 0.45* 0.40* 0.50* 0.40* 聚偏二氯乙烯 0.68* 0.45* 0.90* 0.52* 圖2-2-2圖2-2-3圖2-2-4點(diǎn)擊OK，完成材料A357的參數(shù)設(shè)定，這個材料在下面的步驟中將會被賦給未變形切屑和工件基體的網(wǎng)格零件。 利用已經(jīng)定義的材料A357來復(fù)制一個新的材料。在主菜單中選擇MaterialCopy.A357，在彈出的Copy Material

39、對話框中輸入新的名稱A357-FAIL，并點(diǎn)擊OK確認(rèn)操作。在材料管理器中選中A357-FAIL并點(diǎn)擊Edit按鈕進(jìn)入編輯材料界面，選擇Me-chanicalDamage for Ductile MetalsShear Damage（破壞機(jī)制的選擇就是當(dāng)網(wǎng)格變形到什么程度就認(rèn)為開裂），在Fracture Strain一欄中輸入2，其它兩個不填。再點(diǎn)擊Suboptions按鈕打開Damage Evolution選項(xiàng)，在Displacement at Failure一欄中輸入4E-6，其它選項(xiàng)默認(rèn)并點(diǎn)擊OK確定。點(diǎn)擊OK退出A357-FAIL材料性質(zhì)的設(shè)定，并點(diǎn)擊Dismiss退出材料管理器。定義

40、即將用于賦給刀具的材料參數(shù)。在主菜單中選擇MaterialCreate來創(chuàng)建一個新的材料。新材料取名為CULTLER _ M，在General.Density選項(xiàng)中，輸入Mass Density值為15000.選擇MechanicalElasticityElastic，在Data選項(xiàng)卡中，分別設(shè)置Young's Modulus, Poisson's Ratio的值為8E-f-11和0. 2;選擇Mechanical中Expansion，在Expansion Coeff alpha中輸入4. 7E-6;選擇Thermal . Conductivity，在Conductivity中

41、輸入46;選擇ThermalSpecific Heat，在Specific Heat中輸入20000，點(diǎn)擊OK確認(rèn)操作。 2.設(shè)置截面屬性。從主菜單中選擇SectionCreate，在Create Section對話框中定義這個區(qū)域?yàn)镾ection_CHIP&WORK，在Category選項(xiàng)中接受Solid，在Type選項(xiàng)中接受Homogeneous，點(diǎn)擊Continue。在Edit Section選項(xiàng)中選擇金屬材料A357 ,平面應(yīng)力位變厚度為0.0002，(這個就是設(shè)置刀具和工件的接觸長度)點(diǎn)擊OK完成此截面的設(shè)置。用以上同樣的方法創(chuàng)建一個新的截面名稱為Section_ JOINT

42、，唯一不同的設(shè)置是在Edit Section選項(xiàng)中選擇金屬材料A357-FAIL。點(diǎn)擊OK完成此截面的設(shè)置。再次用同樣的方法創(chuàng)建一個新的截面名稱為Section_CULTLER，唯一不同的設(shè)置是在Edit Section選項(xiàng)中選擇金屬材料CULTLER _ M。點(diǎn)擊OK完成此截面的設(shè)置，此時在主菜單中選擇Section. Manager打開截面管理器，應(yīng)該看到有三個已定義的截面如圖2-2-5所示。圖2-2-53.賦予截面材質(zhì)。點(diǎn)擊Part一欄的下拉按鈕并點(diǎn)擊CHIP- MESH將未變形切屑的網(wǎng)格零件調(diào)入視圖，在主菜單中選擇Assign. . Section，出現(xiàn)區(qū)域選擇的提示，框選視圖中的整個

43、網(wǎng)格零件并點(diǎn)擊Done確認(rèn)，出現(xiàn)Edit Section Assignment對話框如圖2-4所示。在選項(xiàng)卡Section中點(diǎn)擊下拉按鈕選擇截面Section_ CHIP&WORK，選好之后對話框中自動列出了此截面的類型、賦予的材質(zhì)以及擁有此截面性質(zhì)的元素集合(Picked表示由鼠標(biāo)框選而不是定義元素集合獲得)，點(diǎn)擊OK完成賦予截面材質(zhì)的操作。網(wǎng)格工件的顏色變成藍(lán)色表示對零件CHIP- MESH賦材質(zhì)操作成功。圖2-2-6給分離線網(wǎng)格零件賦材質(zhì)。點(diǎn)擊Part一欄的下拉按鈕并點(diǎn)擊JOINT- MESH將分離線的格零件調(diào)入視圖，用以上相同的方法操作，唯一不同的是在Edit Section

44、Assignment對E的選項(xiàng)卡Section中選擇Section _ JOINT給工件基體網(wǎng)格零件賦材質(zhì)。點(diǎn)擊Part一欄的下拉按鈕并點(diǎn)擊WORKPIECE- MESH:件基體的網(wǎng)格零件調(diào)入視圖，用以上相同的方法操作，唯一不同的是在Edit Section Assignment對話框的選項(xiàng)卡Section中選擇Section _ CHIP&WORK.給刀具網(wǎng)格零件賦材質(zhì)。點(diǎn)擊Part一欄的下拉按鈕并點(diǎn)擊CULTLER_MESH將工件基體網(wǎng)格零件調(diào)入視圖，用以上相同的方法操作，唯一不同的是在Edit Section Assignment對話框的選項(xiàng)卡Section中選擇Section_

45、CULTLER。點(diǎn)擊提示欄中的按鈕Done完成區(qū)域選擇步驟。2.3模型裝配1.調(diào)入未變形切屑零件。進(jìn)入Assembly模塊，從主菜單中選擇InstancCreate，在 Create Instance對話框中選中零件CHIP-MESH，未變形切屑的網(wǎng)格零件的預(yù)覽圖像就出現(xiàn)在主窗口中，點(diǎn)擊Apply之后就調(diào)入了網(wǎng)格工件，裝配體的坐標(biāo)原點(diǎn)默認(rèn)為此網(wǎng)格零件的坐標(biāo)原點(diǎn)。此后調(diào)入的零件原點(diǎn)默認(rèn)與此零件原點(diǎn)位置重合。2.調(diào)入分離線零件。在選項(xiàng)卡Parts中選中分離線網(wǎng)格零件JOINT- MESH，點(diǎn)擊Apply調(diào)入分離線零件，分離線的草圖原點(diǎn)默認(rèn)為與未變形切屑的草圖原點(diǎn)重合。3.調(diào)入工件基體零件并調(diào)整位置

46、。再次在選項(xiàng)卡Parts中選中分離線網(wǎng)格零件WORK- PIECE-MESH，點(diǎn)擊Apply調(diào)入工件基體零件，可見工件基體位置覆蓋了分離線，處于錯誤的位置，以下通過移動零件來正確裝配工件基體。從主菜單中選擇Instance.Translate，出現(xiàn)選擇零部件的提示，在工件基體上點(diǎn)擊并點(diǎn)擊提示欄的Done確認(rèn)。提示欄出現(xiàn)平移的起點(diǎn)，軟件默認(rèn)為原點(diǎn)，回車之后在分離線網(wǎng)格零件的右下角頂點(diǎn)上點(diǎn)擊，并點(diǎn)擊提示欄的OK確認(rèn)移動操作，零件就被移動到正確的位置。 4.調(diào)入刀具零件并調(diào)整位置。從主菜單中選擇Instanced Create，在Create Instance對話框中選中零件CULTER_MESH，

47、點(diǎn)擊OK調(diào)入刀具網(wǎng)格零件。從主菜單中選擇Instance.Translate，在刀具零件上點(diǎn)擊并點(diǎn)擊提示欄的Done確認(rèn)。接受默認(rèn)的平移起點(diǎn)即坐標(biāo)原點(diǎn)，回車之后輸入終點(diǎn)坐標(biāo)(0. 001，0. 001)，回車之后刀具向右偏離了0. 001mm并向下偏離。0.001mm，而又不和其它零件干涉，點(diǎn)擊提示欄的OK確認(rèn)移動操作。裝配完成之后的各零件相對位置如圖2-3-1所示。圖2-3-12.4定義分析步和定義輸出(分析步就是定義工程上所謂的工步,定義輸出就是看切削力和其他受力情況)1.定義分析步。進(jìn)入Step模塊，從主菜單中選擇Steps Create，在Create Step對話框中輸入分析步名稱為

48、Unsteady cutting，接受在初始分析步之后插入本步，選擇分析步類型為Dynamic, Temp-disp, Explicit;點(diǎn)擊Continue進(jìn)入編輯分析步設(shè)置Time period為0.0002 (坯料長度除以刀具速度得到的)，默認(rèn)幾何非線性Nlgeom為打開狀態(tài)，接受其它選項(xiàng)為默認(rèn)，點(diǎn)擊OK完成編輯分析步。如圖2-4-1圖2-4-12 定義出項(xiàng)。Abaqus提供默認(rèn)的輸出項(xiàng)，因此先打開輸出項(xiàng)管理器。在在主菜單中選擇Output. . Field Output Requests. . Manager，在彈出的場輸出請求管理器中可以看到分析步Unsteady cutting的輸

49、出已經(jīng)由系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)定了。選中F- Output-1后著Edit，出現(xiàn)如圖2-4-2所示的場輸出請求編輯界面。將結(jié)果輸出間隔數(shù)Interval默認(rèn)的2。修改為100，在Output Variables選項(xiàng)中除了默認(rèn)輸出選項(xiàng)外將State /Field/Time選中，點(diǎn)擊OK確認(rèn)輸出請求。再次定義一個F- Output-1讓他的作用點(diǎn)選擇在刀具的參考點(diǎn)上，在Forces/Reations中選擇RF、RT、RM(這三個參數(shù)可以輸出刀具切削過程中的反作用力)需要指出的是，增大輸出間隔數(shù)有于仿真結(jié)果的解讀，同時會直接增大結(jié)果文件的大小。點(diǎn)擊Dismiss退出輸出項(xiàng)管器。圖2-4-22.5定義表面和接觸性

50、質(zhì)（就是各個部分的接觸屬性說白了就是比如刀具和工件接觸時的摩擦情況了，毛坯三個部分的連接屬性了等等）1. 定義接觸面。進(jìn)入Interaction模塊，從主菜單中選擇ViewAssembly Display Optins，在Assembly Display Options對話框中點(diǎn)擊Instance，取消除了名稱為CHIP-LESH-1以外零件的勾選，最后點(diǎn)擊Apply。此時軟件主窗口只顯示未變形切屑象件。菜單中選擇ToolsSurface.Create,默認(rèn)接觸面類型為Mesh，填入名稱為CHIP_BOT點(diǎn)擊Continue，選擇圖2-1-1所示之未變形切屑的下長邊三條邊和右側(cè)的豎直寬邊，如圖

51、2-5-1所示。網(wǎng)格表面以顏色不同突出顯示，點(diǎn)擊提示欄里的Done完成未變形切屑的接觸面設(shè)置。圖2-5-1繼續(xù)點(diǎn)擊面管理器中的Create，創(chuàng)建一個名為CHIP_ ALI的元素面，這個面包含未變形切屑的整個外圍表面，點(diǎn)擊Done確定。 采用同樣的方法只顯示分離線零件JOINT- MESH-1，從主菜單中選擇ToolsSur-FaceCreate，選擇接觸面類型為Mesh，名稱為JOINT_ TOP。點(diǎn)擊Continue，選擇分離線零件的上表面并點(diǎn)擊Done。從主菜單中選擇Tools .SurfacedCreate，選擇接觸面類型為Mesh，名稱為JOINT _ BOT。點(diǎn)擊Continue，選

52、擇分離線零件的下表面并點(diǎn)擊Done完成此零件上兩個接觸面的設(shè)置。采用同樣的方法只顯示工件基體零件WORKPIECE- MESH -1，從主菜單中選擇ToolsSurface Create，選擇接觸面類型為Mesh，名稱為WORK_TOP。點(diǎn)擊Continue，選擇工件基體零件的上表面并點(diǎn)擊Done完成此接觸面設(shè)置。采用同樣的方法只顯示刀具零件TOOL-MESH-1，從主菜單中選擇ToolsSurface.Create，選擇接觸面類型為Mesh，名稱為CULTER_。點(diǎn)擊Continue，選擇整個網(wǎng)格刀具零件，主視圖顯示刀具的外表面被選中，點(diǎn)擊Done完成刀具零件上接觸面的設(shè)置。 2.定義接觸性

53、質(zhì)。從主菜單中選擇View. . Assembly Display Options，在Assembly Display Options對話框中點(diǎn)擊Instance打開零件顯示選項(xiàng)卡，選中所有的零件并點(diǎn)擊OK確定，將所有零件調(diào)入視圖顯示。從主菜單中選擇Interactions Property Create，在出現(xiàn)的對話框中命名為Initial_ con，接受Contact為默認(rèn)選擇，點(diǎn)擊Continue進(jìn)入Edit Contact Property對話框。 選擇MechanicalTangential Behavior，選擇Friction formulation為粗糙Rough。選擇Mech

54、anical.Normal Behavior，取消默認(rèn)的Allow separation after contact的選中狀態(tài)，接受默認(rèn)選項(xiàng)。選擇ThermalThermal Conductance，在傳導(dǎo)率與距離的函數(shù)對應(yīng)關(guān)系表填入圖2-5-2所示的數(shù)值，點(diǎn)擊OK完成接觸性質(zhì)Initial_ con的定義。圖2-5-2從主菜單中選擇Interactions Property中 Create，在出現(xiàn)的對話框中命名為Process _ con,Contact為默認(rèn)選擇，點(diǎn)擊Continue進(jìn)入Edit Contact Property對話框。選擇MechanicalTangential Beha

55、vior，選擇Friction formulation為無摩擦Frictionless。選擇Mechanical. . Normalnor，接受默認(rèn)選項(xiàng)。選擇ThermalThermal Conductance，在傳導(dǎo)率與距離的函數(shù)對應(yīng)關(guān)填入圖2-5-2所示的數(shù)值。選擇Thermals Heat Generation，將第二項(xiàng)熱量傳遞到從面的比率默認(rèn)的0.5修改為0. 9，點(diǎn)擊OK完成接觸性質(zhì)Process_ con的定義。從主菜單中選擇Interaction.PropertyCreate，在出現(xiàn)的對話框中命名為Third _ con,接受Contact為默認(rèn)選擇，點(diǎn)擊Continue進(jìn)入Ed

56、it Contact Property對話框。選擇Mechani-tangential Behavior，選擇Friction formulation為無摩擦Frictionless。選擇Mechanicalal Behavior，接受默認(rèn)選項(xiàng)，點(diǎn)擊OK完成接觸性質(zhì)Third_ con的定義。3.定義接觸對。從主菜單中選擇 Interaction.Create，在出現(xiàn)的接觸對命名對話框中命名為Int-A，選擇初始分析步Initial，在接觸對的類型列表中選中Surface-to-surface ContactExplicit，點(diǎn)擊Continue之后彈出主從接觸面的選擇提示。點(diǎn)擊視圖右下角出現(xiàn)的接處面選擇按鈕surface，