ansysls-dyna模擬金屬切削過程的數(shù)值模擬

ansysls-dyna模擬金屬切削過程的數(shù)值模擬

基于anasas/ls-dyna的金屬切削過程有限元模擬為了研究金屬切割機(jī)，選擇切割參數(shù)和零件設(shè)計(jì)合理?？茖W(xué)家們進(jìn)行了大量的研究。先后建立了許多簡化的力學(xué)模型,其中比較著名的有Merchant切削模型和Oxley切削模型,對(duì)切削機(jī)理的研究起到了積極的推動(dòng)作用。但是切削過程中各個(gè)變形區(qū)的變化過程、應(yīng)力分布、應(yīng)變分布等,僅僅通過解析求解是不能解決的。近年來有限元方法被廣泛地應(yīng)用到金屬切削機(jī)理的研究中,許多學(xué)者開始使用商業(yè)軟件對(duì)金屬切削過程進(jìn)行有限元模擬研究,得到了切削過程中的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度分布以及刀具鈍圓半徑對(duì)切削過程的影響。目前,切削過程有限元模擬研究的方法分為兩類,一類是自編程序進(jìn)行切削過程的有限元模擬研究,但是這種做法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力,且不具有通用性。另外一類就是利用現(xiàn)有的商業(yè)有限元軟件進(jìn)行金屬切削過程的有限元模擬研究,由于這種方法簡單,又具有通用性,因此目前的模擬大多采用這種方法。ANSYS/LS-DYNA具有同時(shí)利用ANSYS強(qiáng)大的前后處理功能和LS-DYNA的非線性求解功能的特點(diǎn),可以方便、準(zhǔn)確地進(jìn)行切削過程的有限元模擬分析。本文利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行金屬切削過程的模擬研究。1有限模型1.1基于網(wǎng)格劃分的模擬在ANSYS/LS-DYNA中可以選擇Lagrange、Euler和ALE(任意Lagrange和Euler方法)3種算法。Lagrange方法用于固體分析,有限元網(wǎng)格由材料單元組成,所有的網(wǎng)格準(zhǔn)確地描述了所分析物體的幾何形狀。這種方法在模擬材料的無約束流動(dòng)時(shí)是很方便的,但是這種方法存在著切屑分離的模擬問題,還有切屑形成以后的網(wǎng)格重新劃分的問題。Euler方法更適合在一個(gè)可以控制的體積內(nèi)描述流體的變形。在切削加工中,切屑成形后的形狀是不固定的,利用Euler方法來模擬存在一定的困難,因?yàn)樾璨粩嗟卣{(diào)整空間的網(wǎng)格來描述邊界條件。ALE方法最初出現(xiàn)于數(shù)值模擬流體動(dòng)力學(xué)問題的有限差分方法中,兼具Lagrange方法和Euler方法二者特長。本文選用ALE方法作為模擬算法。1.2彈性單元的確定有限元模型的建立需綜合考慮金屬切削變形理論、塑性理論以及有限元理論。在切削過程中,切削寬度一般是切削厚度的3倍以上,因此可以把它作為二維平面應(yīng)變進(jìn)行處理。另外,由于刀具的硬度比工件的硬度高得多,因此在建模時(shí),將刀具看作剛體,工件看成是彈塑性體。刀具材料的變形按照彈性變形計(jì)算,而工件材料的變形按照彈塑性變形進(jìn)行計(jì)算。由此,工件采用大應(yīng)變彈塑性單元進(jìn)行彈塑性分析;刀具采用彈性單元進(jìn)行彈性分析?？紤]到前刀面與切屑以及后刀面與工件之間存在的摩擦,設(shè)定各個(gè)接觸面的摩擦因數(shù)為0.4。為了使模擬更具有代表性,本文選取Q235鋼作為工件材料,取硬質(zhì)合金WC-TiC-TaC-Co作為刀具材料。工件材料模型取為隨動(dòng)硬化模型σ=[1+(ε˙C)1P](σ0+βEPεP)σ=[1+(ε˙C)1Ρ](σ0+βEΡεΡ)其中EP=EtanEE?EtanEΡ=EtanEE-Etan式中σ——有效應(yīng)力εP——有效塑性應(yīng)變?chǔ)?——初始屈服應(yīng)力ε˙ε˙——應(yīng)變率C、P——應(yīng)變率參數(shù)β——應(yīng)變硬化參數(shù)Etan——切向模量EP——塑性硬化模量E——彈性模量刀具采用剛體模型,工件和刀具輸入?yún)?shù)見表1。1.3單元?jiǎng)澐趾瓦\(yùn)動(dòng)采用直角自由切削,建立如圖1所示的二維有限元模型。工件分成2個(gè)部分,上部被劃分為4000個(gè)單元,下部劃分成10000個(gè)單元;為了進(jìn)一步減少求解所用時(shí)間,刀具設(shè)為剛體,分成15個(gè)單元。工件的底部約束X和Y兩個(gè)自由度,左側(cè)約束X自由度,刀具約束Y方向自由度和3個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)自由度。這和實(shí)際切削過程中的約束條件基本一致。1.4單元節(jié)點(diǎn)分離技術(shù)金屬切削過程有限元模擬的分離準(zhǔn)則主要分為幾何準(zhǔn)則和物理準(zhǔn)則。幾何分離準(zhǔn)則是以刀尖與刀尖前單元節(jié)點(diǎn)的距離定義的。假定在預(yù)定義加工路徑上此距離小于某個(gè)臨界值時(shí),該節(jié)點(diǎn)被分成2個(gè),其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)沿前刀面向上移動(dòng),另一個(gè)保留在加工表面上。其優(yōu)點(diǎn)是簡單,但是沒有物理學(xué)基礎(chǔ),且由于沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),準(zhǔn)確性差。物理標(biāo)準(zhǔn)是以刀尖前單元節(jié)點(diǎn)的物理量定義的,如應(yīng)變、應(yīng)力、應(yīng)變能等,當(dāng)單元中所選定物理量的值超過給定材料的相應(yīng)物理?xiàng)l件時(shí),即認(rèn)為單元節(jié)點(diǎn)分離。采用物理準(zhǔn)則使得金屬切削的有限元模擬研究更接近實(shí)際情況,因此本文采用有效應(yīng)變作為切屑分離準(zhǔn)則。1.5解決方案的計(jì)算在刀具上加水平向左的位移載荷,使得刀具以恒定的速度向左移動(dòng),產(chǎn)生刀具的運(yùn)動(dòng),通過ANSYS/LS-DYAN求解器進(jìn)行綜合計(jì)算。切屑與已加工表面間的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)在初始時(shí)是聯(lián)系在一起的,這里選用VonMises分離準(zhǔn)則(等效塑性應(yīng)變)。隨著刀具的移動(dòng),刀尖前面的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生塑性應(yīng)變,在每一時(shí)步,計(jì)算出對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變,當(dāng)?shù)刃苄詰?yīng)變值達(dá)到分離準(zhǔn)則值時(shí),產(chǎn)生切屑。本文的切削條件見表2。2切削過程模擬分析求解完成以后,就可以利用后處理器進(jìn)行各種模擬結(jié)果的分析。通過有限元模擬可以直觀地再現(xiàn)切屑形成過程,如圖2所示。從圖2中可以看出,隨著刀具的前進(jìn),首先在刀尖處形成很大的應(yīng)變,然后應(yīng)變開始沿剪切角和刀具與切屑的接觸面擴(kuò)散,最終形成明顯的第1變形區(qū)和第2變形區(qū)。此過程不斷重復(fù),就形成了切屑。圖3為切削過程的應(yīng)力和應(yīng)變分布。從圖3中可以看出,在第1變形區(qū)和第2變形區(qū),應(yīng)力、應(yīng)變較大,且較集中。這與實(shí)際的切削過程是吻合的。前刀面的最大應(yīng)變出現(xiàn)在距刀尖一定距離的地方,這與切削中前刀面上的最高溫度出現(xiàn)在前刀面上,而不是刀尖上是一致的。在加工表面上存在著殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變,且殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變隨著與刀尖和已加工表面之間距離的增大而減小。其變化情況如圖4所示。從模擬的結(jié)果也可以得出切削過程中的切削力變化情況,如圖5所示。從圖中可以看出,在切削過程中,切削力逐漸增大,最后保持在某一個(gè)值附近波動(dòng),達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。3變形在距刀尖一定距離的地區(qū)(1)在第1變形區(qū)和第2變形區(qū),