ABAQUS金屬切削二維操作實例

2017-03-17 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

背景介紹

切削過程是一個很復(fù)雜的工藝過程,它不但涉及到彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、斷裂力學(xué),還有熱力學(xué)、摩擦學(xué)等。同時切削質(zhì)量受到刀具形狀、切屑流動、溫度分布、熱流和刀具磨損等影響,切削表面的殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變嚴(yán)重影響了工件的精度和疲勞壽命。利用傳統(tǒng)的解析方法,很難對切削機(jī)理進(jìn)行定量的分析和研究。計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展使得利用有限元仿真方法來研究切削加工過程以及各種參數(shù)之間的關(guān)系成為可能。近年來,有限元方法在切削工藝中的應(yīng)用表明,切削工藝和切屑形成的有限元模擬對了解切削機(jī)理,提高切削質(zhì)量是很有幫助的。這種有限元仿真方法適合于分析彈塑性大變形問題,包括分析與溫度相關(guān)的材料性能參數(shù)和很大的應(yīng)變速率問題。ABAQUS作為有限元的通用軟件,在處理這種高度非線性問題上體現(xiàn)了它獨到的優(yōu)勢,目前國際上對切削問題的研究大都采用此軟件,因此,下面針對ABAQUS的切削做一個入門的例子,希望初學(xué)者能夠盡快入門,當(dāng)然要把切削做好,不單單是一個例子能夠解決問題的,隨著深入的研究,你會發(fā)現(xiàn)有很多因素影響切削的仿真的順利進(jìn)行,這個需要自己去不斷探索,在此本人權(quán)當(dāng)拋磚引玉,希望各位切削的大神們能夠積極探討起來,讓我們在切削仿真的探索上更加精確,更加完善。

問題描述

切削參數(shù):切削速度300m/min(5000mm/s),切削厚度0.1mm,切削寬度1mm

尺寸參數(shù):本例作為入門例子,為了簡化問題,假定刀具為解析剛體,因為在切削過程中,一般我們更注重工件最終的切削質(zhì)量,如應(yīng)力場,溫度場等,尤其是殘余應(yīng)力場,而如果是要進(jìn)行刀具磨損或者涂層刀具失效的分析的話,那就要考慮建立刀具為變形體來進(jìn)行分析了。工件假定為一個長方形,刀具設(shè)置前角10°,后角6°,具體尺寸見INP文件。

下面將切削過程按照ABAQUS的模塊分別進(jìn)行敘述,并對注意的問題作出相應(yīng)的解釋。

建模

建模過程其實沒有什么好注意的,對于復(fù)雜的模型,我一般用其他三維軟件導(dǎo)入進(jìn)來,注意導(dǎo)入的時候盡量將格式轉(zhuǎn)化為IGES格式,同時要把一些不必要的東西去掉,比如一些尖角,圓角之類的,如果不是分析那個部位的應(yīng)力集中的話就沒必要導(dǎo)入它,如果導(dǎo)入,還要進(jìn)行一些細(xì)化,大大降低了計算的效率。

我一般做的是二維切削,模型相對比較簡單,所以一般都是直接在ABAQUS中進(jìn)行建模。由于此處為剛體,要在part里面建立剛體參考點,而且注意不要在裝配模塊建立參考點,因為有時候ABAQUS找不到裝配模塊相應(yīng)的參考點。

屬性分配

第二步定義材料參數(shù),在這個階段要注意的問題是要把參數(shù)定義全,尤其是你要考慮什么,要計算什么,比如你要考慮刀具的溫度場,你就要定義刀具的密度,熱導(dǎo)率,比熱容等,你要考慮熱應(yīng)力,那你就要定義熱膨脹系數(shù),這部分最終要的是關(guān)于工件塑性的問題,現(xiàn)在切削大部分用的都是J-C模型,一方面它全面考慮了熱硬化,熱軟化等多種效應(yīng),另一方面可以通過霍金普森實驗比較容易確定,因此廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代切削加工的塑性模型中。

下面針對這個模型做簡單介紹。J-C模型的式子我就不再輸入了,相信每一個做切削的人應(yīng)該都知道的,分為三個部分的乘積,分別代表了熱硬化1,熱軟化2和溫升效應(yīng)3,運用這個模型的時候,參數(shù)根據(jù)實驗輸入即可,在定義的時候,有個參考應(yīng)變率,這個一定記住是做實驗時候的參考應(yīng)變率,所以有時候不同的參考應(yīng)變率,擬合的參數(shù)A,B等可能是不同的,因此,在選擇模型的時候一定要注意參考應(yīng)變率和實驗的參考應(yīng)變率相對應(yīng),這樣你所得的參數(shù)才是準(zhǔn)確的。在定義材料參數(shù)時,要注意別忘了定義非彈性熱系數(shù),這個參數(shù)將決定你的塑性產(chǎn)熱,如果你發(fā)現(xiàn)自己的切削溫度場不對,很大程度上是因為沒有定義這個參數(shù)。另外還有一個非常重要的問題,單位一定要統(tǒng)一,不然你的計算肯定會出錯,記住mm-t-MPa,其他自己推一下就行。

裝配

第三部裝配模塊,這個沒啥說的,就是把你自己工件的刀具的相對位置確定一下就行了。先通過Instance part建立工件和刀具的裝配模型,然后通過translateinstance調(diào)整工件和刀具的位置,盡量保證工件和刀具充分接近,但是不要產(chǎn)生干涉,工件和刀具如果如果太遠(yuǎn),刀具空走的路程會長,容易產(chǎn)生一些振動什么的,如果太近,產(chǎn)生干涉,影響刀具和工件的正確接觸關(guān)系,因此要把握好工件和刀具的距離,其他的基本上都很簡單。

分析步

目前大體在ABAQUS中做切削分析可以采用兩種分析步,一種是基于熱力耦合的分析步,這種分析步充分考慮了切削過程的熱力相互耦合及相應(yīng)機(jī)制,另一種是動態(tài)絕熱分析,認(rèn)為切削仿真是在短時間內(nèi)完成的,在這么短的時間內(nèi),熱量還未來得及發(fā)生傳導(dǎo),這種分析步一般進(jìn)行鋸齒切屑形狀的分析,容易產(chǎn)生鋸齒的剪切帶。

如果是采用ALE,要定義相應(yīng)的ALE設(shè)置。下面對ALE做相應(yīng)簡介,其實這涉及到ABAQUS中相應(yīng)的算法,在ABAQUS中一種是拉格朗日算法,一種是歐拉算法,拉格朗日算法的節(jié)點是基于實體單元的,也就是實體單元的節(jié)點的位置,一般用于固體分析,而由于算法本身的特點,在遇到大變形時候很容易產(chǎn)生畸變,歐拉算法是基于空間的,一般用于流體,其相應(yīng)的節(jié)點也是基于空間的,網(wǎng)格劃分后其在空間的位置是不變的,但是其邊界條件難以定義和琢磨,而ALE結(jié)合了拉格朗日算法和歐拉算法的優(yōu)點,一方面通過拉格朗日方法定義邊界,另一方面利用歐拉方法解決網(wǎng)格畸變問題,因此目前在切削領(lǐng)域由于很好的解決了問題而得到廣泛的應(yīng)用。關(guān)于ALE的具體設(shè)置可以參看ABAQUS經(jīng)典例題3中的穩(wěn)態(tài)切削的例子,由于時間和空間有限,有些東西我是說不完的,希望大家能自己去探索。如果想輸出切削力隨時間的時域圖,在這里要選擇參考點,然后設(shè)置set,然后在historyoutput里面輸出參考點即可。如果想加快計算時間,可以采用質(zhì)量放大,但是放大的尺度一定要把握好,不然會造成結(jié)果失真的,具體可以參照幫助文檔關(guān)于質(zhì)量放大的介紹。

接觸

首先定義接觸屬性,這個要考慮自己具體的計算過程了,比如考慮不考慮摩擦等,一般對切削而言,需要設(shè)置相應(yīng)的摩擦,采用硬接觸的形式,而且一定要定義兩個系數(shù),一個是生熱系數(shù),一個是熱量分配系數(shù),生熱系數(shù)主要是計算摩擦做的功有多大的比例產(chǎn)生熱,前面我們已經(jīng)在材料里面定義了塑性產(chǎn)熱的轉(zhuǎn)化系數(shù),熱分配系數(shù)主要是摩擦最終產(chǎn)生的熱量有多少流入工件,有多少流入刀具。接下來就是定義接觸了,選擇刀具接觸表面以及工件接觸表面,可以建立相應(yīng)的接觸關(guān)系,本例因為模型簡單,所以只需定義一個接觸對即可。然后就是對刀具施加剛體約束就可以了。如果是變形體的話,不用給刀具施加剛體約束的。

工況

對于切削來講,一般都是通過固定工件下部分和左邊,然后讓刀具以一定速度切削,具體定義過程比較簡單,而且一般會在預(yù)定義場定義初始工件和刀具的溫度場。需要注意的是在定義刀具速度的時候,可以采用幅值的方式,這樣可以使得整個速度逐漸加載到所要定義的速度,從而不至于產(chǎn)生特別大的位移,從而對結(jié)果產(chǎn)生影響。

網(wǎng)格

這也是對仿真結(jié)果非常重要的一步,因為切削是一種非線性非常強(qiáng)的本構(gòu)關(guān)系,如果網(wǎng)格過于粗糙,往往造成結(jié)果的不收斂,尤其是在切屑部分,其密度直接決定最終切削結(jié)果的成敗,因此對切削的重點部位進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化是非常重要的環(huán)節(jié)。我一般對矩形的網(wǎng)格采用四邊形網(wǎng)格,可以劃分比較規(guī)整的網(wǎng)格。在工件的厚度方向采用密度撒種的方法,保持一定的梯度分布,有利于更好的解決時間和效率的問題。在劃分完網(wǎng)格之后,一定要記住檢查一下網(wǎng)格質(zhì)量,因為不好的網(wǎng)格會對切削的結(jié)果造成很大的影響。