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1、基于Abaqus的刀具切削仿真,武汉理工大学,Abaqus的功能介绍,线性静力学，动力学和热传导学非线性和瞬态分析多体动力学分析,Abaqus的界面介绍,切削模拟的假设条件,本文建立的金属切削加工热力耦合有限元模型是基于以下的假设条件:刀具是刚体且锋利，只考虑刀具的温度传导;忽略加工过程中，由于温度变化引起的金相组织及其它的化学变化;被加工对象的材料是各向同性的；不考虑刀具、工件的振动；由于刀具和工件的切削厚度方向上，切削工程中层厚不变，所以按平面应变来模拟；,Abaqus建立零件模型,采用单位：N，Pa，m，S，K，J,Abaqus建立零件模型,其他零件尺寸如下：,JOINT分离线为切削时切
2、屑与工件分离的部分零件分开画，材料接触和变形不同，便于赋予 不同的材料特性与接触属性注意每个零件的原点位置，便于装配,Abaqus零件网格划分,对整个零件进行自适应网格,常用操作：,对零件的每条边分布种子,网格控制，单元形状,指派网格单元类型控制单元属性,执行网格划分,Abaqus零件网格划分,零件CHIP网格划分：,点击，选择上长边，进行边布种，确定,弹出图中，选择按个数补种，单元数250,接下来，以相同方式按顺时针布种，数目分别为6，20，6，250，20，20,Abaqus零件网格划分,1.CHIP网格形状控制：点击，选择整个零件后确定，选择如下图参数,2.CHIP网格元素类型：点击，选
3、择整个零件，参数如下,3.最后点击，完成网格划分,零件分离线，工件网格划分与此相同,Abaqus零件网格划分,刀具TOOL网格划分：,1.点击边布种，如图，按住shif选择前刀面与后刀面，使用密度偏离布种,2.控制网格形状，三角形，技术自由,3.网格类型与前面类似,Abaqus零件网格划分,生成网格零件：,1.点击菜单栏网格，选择创建网格部件,2.取名TOOL-MESH,3.确定，生成绿色的网格零件,4.在道具右上创建一个参考点，便于施加载荷和输出切削力,5.其他零件生成网格零件 如图,Abaqus赋予材料属性,常用操作：,创建材料，设置材料参数,创建截面，将不同的材料参数赋予到不同的截面上,
4、指派截面，将不同的截面赋予到不同的部件上,管理项，对左边对应项进行编辑、复制、删除等管理,Abaqus赋予材料属性,创建材料GH4169的参数：,1.点击，材料名为GH4169，点击通用选择密度,2.点力学、弹性，设置杨氏模量和泊松比,GH4169为合金钢，将会赋予给未撕裂的切屑和工件,Abaqus赋予材料属性,创建材料GH4169的参数：,3.点力学、塑性，选择与 温度有关的数据，赋予数据,4.设置线膨胀系数，点力学膨胀,5.设置热传导率，点热学传导率，输入数据,Abaqus赋予材料属性,创建材料GH4169的参数：,5.点热学非弹性热份额,6.点热学比热，输入参数,Abaqus赋予材料属性
5、,创建材料GH4169_FAIL的参数：,1.点，选GH4169，复制，命名GH4169_FAIL,2.选GH4169_FAIL，点编辑力学延性金属损伤剪切损伤，破坏机 制参数如下,3.点子选项损伤演化破坏位移参数如下,GH4169_FAIL赋予给分离线，破坏到一定程度，网格开裂,Abaqus赋予材料属性,创建刀具TOOL-M的参数：,1.刀具密度杨氏模量泊松比如下,2.点力学膨胀，设置膨胀系数,3.设置热传导率比热,Abaqus赋予材料属性,设置截面属性：,1.点，名称Section_CHIP&WORK,设置如下，继续，材料选择GH4169,2.建Section_JOINT,赋予 材料GH4
6、169_FAIL,3.建Section_TOOL,赋予 材料TOOL_M,Abaqus赋予材料属性,赋予零件截面属性：,1.部件栏点选CHIP_MESH，点,2.选择整个零件确定后，赋予零件截面属性Section_CHIP&WORK,3.同理，赋予其他零件对应的截面属性,Abaqus模型装配,常用操作：,导入模型,阵列,平移实例,旋转实例,合并、切割实例,Abaqus模型装配,1.点击，导入零件,2.点，选择实例WORKPIECE-MESH,选右上角作起点，JOINT_MESH右下角作终点确定,3.同理，将刀具顶点移到（2E-5，5E-6）,Abaqus定义分析步与输出,常用操作：,创建分析步
7、,创建场输出,创建历程输出,对左边对应项进行管理,Abaqus定义分析步与输出,定义分析步：,1.点，建分析步Unsteady cutting 插在初始步后，参数设置如下,2.时间长度设为2E-5，几何非线性 设为开,Abaqus定义表面与接触,切换到相互作用,1.通过菜单、视图，只显示零件CHIP,2.菜单栏，工具创建面,定义接触面：,Abaqus定义表面与接触,3.表面命名为CHIP_BOT选择如下红色边确定,4.其他表面定义（红色线）如下,CHIP_ALL,JOINT_BOT,JOINT_TOP,WORK_TOP,TOOL_FACE,Abaqus定义表面与接触,定义接触性质：,1.点，命
8、名int-con,继续,2.力学分别定义切向行为 法向行为,3.定义热传导，定义传导率与距离的函数对应关系如下,Abaqus定义表面与接触,定义接触性质：,类似操作分别定义接触,PROCESS_CON：增加生热,THIRD_CON:摩擦改为零,Abaqus定义表面与接触,定义接触对：,总共有5对接触,1.点，选择接触的2个面CHIP_BOTCHIP_TOP,力学接触为罚接触，接触属性为Initial_on,2，按相同方法，按实际接触 定义其他4对接触,3.定义刀具为刚性约束。在菜单中创建一个集合，命名为TOOL_EL,选择所有刀具网格后确定,Abaqus定义边界条件和载荷,定义元素集合：定义约
9、束点和初始温度点的集合,.菜单工具中创造如下集,1.ENCASTRE（点）：用于限制工件自由度,2.ALL1（点）：用于定义工件初始温度,3.ALL_2：定义刀具的初始温度,定义载荷幅度曲线：工具幅值，幅值曲线如下,Abaqus定义边界条件和载荷,定义约束边界条件：,1.夹持工件：点，命名Fix_works,继续，区域选择ENCASTRE，选择完全固定,Abaqus定义边界条件和载荷,定义约束边界条件：,2.定义刀具移动：建边界Move-TOOL，载荷类型速度，施加点选参考点，速 度大小，方向，幅值如下,3.赋予刀具和工件初始温度：菜单，预定义场，命名后，区域选择ALL_1，定义工件初始温度3
10、00K（21度）。同理，定义刀具初始温度600K,Abaqus提交作业并计算,建立作业，检查数据后，提交，计算时，课题通过监视器实时观察计算过程,实时观察,Abaqus后处理模块,Abaqus后处理模块,选择输出应力云图,选择输出的云图,Abaqus后处理模块,切削应力云图：,Abaqus后处理模块,输出刀具受力的时域图：,反映了切削的平稳性，衡量加工质量,Abaqus切削的改进,本次切削我认为还有以下有待改进的地方：,1.材料本构模型：本次使用的各向同性，但表示材料高应变速率 下的热粘塑性行为常用J-C模型2.分离线：采用分离线分别赋予材料属性，但不符合实际3.道具角度：为防止网格变形速率过大，刀具倾角都取得很小，有待改进,
