基于ANSYS/LS-DYNA的切削过程有限元模拟

金属切削过程是一个非常复杂的弹塑性变形过程。本文运用有限元分析理论及弹性力学理论,充分考虑到材料的本构关系、切屑与材料的分离准则以及切屑与刀具间的接触与摩擦,运用数值仿真软件LS-DYNA(一款非线性显式动力学分析软件)对切削过程进行有限元分析。结果表明:切屑的形成过程是材料受到刀具挤压产生剪切滑移的过程;最大等效应力在切削起初迅速增大直至一定值附近波动,此时进入切削稳定状态;最大等效应力随着切削速度的增大而减小;切削厚度越大,最大等效应力越大。     

盾构切削混凝土刮刀受力和磨损的离散元数值模拟研究

随着城市隧道建设过程中盾构切削混凝土基础案例逐渐增多,研究盾构刮刀在切削混凝土过程中的受力和磨损对于保障盾构安全高效掘进、拓宽盾构机适用范围意义重大.在前期试验的基础上,利用离散元软件EDEM,对刮刀切削混凝土过程进行了数值模拟,研究了刀具参数（刀具前角、刀具后角、刀具形状）、试件强度、切削深度和切削速度对刀具受力的影响,并基于Archard模型探讨了刀具的磨损情况.计算结果表明,刀具前角越大,刀具受力越小;刀具后角和形状对其受力影响较小;试件强度、切削深度和切削速度越大,刀具的受力越大.数值计算得到的刀具切削力平均值与室内试验结果总体上有很好的一致性.刀具磨损情况最为严重的部位是刀尖;刀具前、后角越大,刀具磨损越严重;刀具磨损随切削深度、试件强度、切削速度的增大而增大.研究成果可为盾构刮刀设计和选型提供参考.     

水射流辅助刀具切削钴结壳

为了减小钴结壳切削过程中产生的冲击载荷,提高集矿机的行走安全性,提出了水射流辅助刀具切削钴结壳的切削方法.分析了单个截齿切削钴结壳时的受力情况,建立了水射流辅助刀具切削钴结壳的力学模型,通过仿真计算获取了水射流压力和刀具在钴结壳表面产生初始裂纹所需最小切削力的作用规律.仿真结果表明:与纯刀具切削相比,当水射流作用点和刀具作用点重合时,刀具在钴结壳表面产生初始裂纹所需的最小切削力明显下降;随着水射流压力的增加,刀具所需的最小切削力急剧下降.开展了水射流辅助刀具切削钴结壳模拟料实验.实验结果表明:与纯刀具切削钴结壳相比,水射流辅助刀具切削钴结壳时,切削过程中冲击载荷的最大值明显下降,当射流压力为5 MPa时,冲击载荷的最大值下降约50%,有效值下降约10%.     

软岩切削过程的三维数值模拟

运用切削动力学理论以及有限单元理论,选择在Ottosen 4参数破坏准则基础上引入损伤因子的弹塑性本构模型作为软岩的材料模型,考虑刀具与软岩之间的摩擦,基于大型非线性动力有限元软件ANSYS/LS-DYNA,对软岩的切削过程进行了三维动态模拟,得到了软岩等效应力和刀具切削力的变化规律。仿真结果表明:软岩受到切刀挤压作用,达到屈服强度而发生塑性变形,最后产生崩裂;在整个切削过程中,岩石受到一个增大、减小的循环应力,刀具的切削力呈现严重的波动性。通过与试验结果比较,发现模拟数值与试验值吻合良好,这表明该数值分析方法是有效的,可用来指导盾构刀具破岩理论的进一步研究,并为改进盾构刀具的设计提供可靠的依据。     

盾构刀具破岩过程及其切削特性

采用数值模拟技术并借助于大型有限元软件,选择在Ottosen四参数破坏准则基础上引入损伤因子的非线性弹塑性本构模型作为软岩的材料模型,建立盾构刀具切削软岩的二维简化模型,模拟破岩过程中裂纹的生成和扩展;建立三维有限元模型,分析切削力在整个切削过程中的变化,并通过试验验证仿真过程的可行性和有效性.研究结果表明;岩石的破碎过程和切屑的形成过程是由拉伸裂纹和剪切裂纹延伸而成;刀具的切削力与切削时间之间遵循波动变化关系,能够较真实地反映盾构刀具破岩过程中岩石的破碎动态响应过程;采用该方法研究刀具几何参数和切削参数对切削力的影响程度和趋势,为盾构刀具的最优化设计提供了参考依据.     

基于FEM-SPH耦合方法的AISI4340钢超精密切削过程仿真

数值模拟是研究金属切削的重要手段,但有限元方法(FEM)由于依赖网格而存在一定的局限性,不适宜处理大变形问题.光滑粒子动力学(SPH)是一种无网格法,可以避免网格畸变,解决切削过程中材料大变形问题.结合两种方法的各自优点,建立了AISI4340钢金刚石超精密切削过程的FEM-SPH耦合模型,研究切削过程中材料的去除机理.仿真结果表明:随着切削过程的进行工件内部应力逐渐增大,当达到屈服极限时,工件材料沿前刀面塑性流动,形成切屑,刀尖钝圆的推挤起了决定性的作用;成形表面下存在较为严重的残余应力;切削热主要来源于切削过程中塑性功的转换且大部分被切屑带走;增大刀尖钝圆半径将会使切削力尤其是切削抗力显著增大.     

多刀具纳米切削铜过程研究

运用分子动力学模拟技术建立多刀具纳米切削铜模型,工件原子间相互作用力采用eam势计算,工件与刀具原子间相互作用力采用morse势计算,刀具原子间相互作用力采用tersoff势计算.通过分析切削过程中瞬间原子图像、切削力、能量、温度,发现多刀具纳米切削过程并不等同于单把刀具多次走刀,刀具之间相互干涉会影响切削力的变化.结果显示多刀具与单把刀具切削比较,切削力在一定程度内会变小,工件的温度相对较高,最终会影响切削效果.     

切屑数值模拟研究之中碳钢的高速加工

通过建立的正交切削有限元模型,采用Cockroft-Latham切屑断裂标准作为工件材料失效准则对45号钢高速加工过程进行了数值模拟,得到了崩碎状切屑的形成过程。并对切削过程中获得的切削力曲线及切削温度场分布进行了分析。加工过程中由于崩碎状切屑的不断产生导致切削力及切削温度产生较大的波动。数值模拟结果为进一步研究45号钢高速加工切削机理及切削参数优化、刀具几何尺寸的设计提供了基础。     

基于LS-DYNA的金属切削加工有限元分析

采用有限元法对金属的切削加工过程进行了模拟,得出了工件内部应力、应变及温度的变化规律.模拟结果表明,切屑是切削层材料受到刀具前刀面的推挤,沿某一斜面发生剪切滑移形成的;切削进入稳定阶段后,材料的最大等效应力保持在某一值附近波动;钝圆半径的挤压导致成形表面产生残余应力;切削热主要集中在切屑上,切屑温度从切屑底层到外层逐渐递减.该方法弥补了实验方法冗繁的缺点,为金属切削原理的研究、切削加工工艺的设计提供了高效的方法和理论依据.     

基于PCD刀具与硬质合金刀具的硅铝合金高速切削性能研究

针对硅铝合金切削过程中极易产生粘刀并形成积屑瘤,采用正交试验法,以PCD刀具和硬质合金刀具对硅铝合金材料进行高速切削试验,并通过极差分析法分别得到这两种刀具切削硅铝合金时切削参数的最优组合;同时根据每次试验的加工表面粗糙度值和加工表面形貌特征,为了获得更好的表面加工质量,硅铝合金材料的切削加工宜采用PCD刀具。     

阶梯孔磁壳的冷挤压工艺研究

根据阶梯孔磁壳零件的结构特点,采用锻造分析软件Qform3D对其冷挤压一次反挤成形方案和改进方案进行数值模拟分析。经工艺分析及参数计算,分两次挤压成形减少了模具对变形材料的约束,增大了金属流动速度,降低了挤压力。因此确定分两次挤压的改进方案为阶梯孔磁壳零件的合理工艺方案,对该零件的生产应用具有重要的指导意义。     

奥氏体不锈钢小孔钻削有限元

基于切削加工的热- 弹塑性有限元方程并在一定假设的条件下,建立了金属小孔钻削加工的热力耦合有限元模型.分析、研究了钻削力、扭拒及钻削温度随进给量的变化规律.同时采用ABAQUS 软件对难加工材料1Cr18Ni9Ti进行了钻削加工模拟,并分析、讨论了模拟结果.通过与试验数据比较,证明了所建立的有限元模型的正确性.     

切削模拟过程中关键技术问题的处理

对使用有限元法进行切削过程模拟的关键技术进行了分析。针对刀尖单点接触问题，提出了一种网格错位分析方法，提高了模拟计算结果的稳定性；采用基于几何准则和等效应力的综合分离准则来解决切屑层与金属基体材料之间的分离问题，并给出了一种粘接单元法，从而提高了计算精度；根据基于几何判断和应力分布的复合判据法则，解决了切屑上的约束节点与前刀面的释放问题。实例表明，所提方法很好地解决了实际模拟计算过程中的关键技术问题。     

空心铝型材挤压成形过程的有限元数值模拟

用刚塑性有限元法对方截面铝型材挤压过程进行了计算机数值模拟,并探讨了其关键技术,与用挤压不同颜色橡皮泥的方法对铝型材挤压过程中金属质点流动状态所作的物理模拟结果相比,发现两者吻合得较好,证明了计算机数值模拟的正确性,其结果为制定合理的铝型材挤压工艺参数及模具设计提供了理论依据.     

Finite Element Analysis and OADs Optimization of the Temperature in the Plane-strain Orthogonal Metal Cutting Process

IntroductionDuringthemetalremoving process,a greatdealofheatwillbe generatedbythemechanicalworkbeingconvertedintoheatthroughthe plasticdeformationinvolvedduringchipformationandalsoduetofrictionalworkbetweenthetool,chipandworkpiece[1] .Thisheatmaybeveryharmfultothemachine ,toolandtheworkpiecesbeingmachined ,socontrollingthequantityofcuttingheatisaveryimportant probleminmachiningprocess.Overthese years ,manyimprovementsinmanufacturingtechnologiesrequiredinthemodelingandsimulationofmetalcutting p…     

基于ABAQUS的游离磨粒对单晶锗表面冲击作用仿真分析

为研究固液两相流方法加工原理,建立ABAQUS冲击仿真模型,分别分析单晶锗材料变形过程中应力变化、不同速度冲击作用、不同角度冲击作用。仿真结果表明:加工过程中被加工材料表面在受到水平切削力和竖直挤压力共同作用下,产生塑性变形;不同速度冲击作用下,材料表面塑性形变量随速度增加而增大,最大接触应力值呈先增大后减小的趋势;不同角度冲击作用下,单晶锗弹性模量各向异性与冲击角度共同影响最大接触应力值,弹性模量各向异性不影响材料变形量,冲击角度影响材料变形量及是否会在材料表面产生应力集中现象。     

二维金属切削的热力耦合模型及数值模拟

切削加工是一种重要的金属制造工艺,其中切屑成形是一种典型的大变形问题,它涉及到材料非线性、几何非线性以及边界非线性问题,还涉及到热力耦合问题.针对典型的正交切削工艺,采用大型商业有限元软件MSC.Marc,基于热弹塑性有限元方法并在一定假设的条件下建立了考虑金属正交切削热力耦合有限元模型.分析了切屑分离准则、自适应网格等切屑加工模拟的关键因素.对建立的模型进行了有限元分析,得到了切屑成形、温度分布、切削力变化等结果.     

铝型材挤压有限元和有限体积对比模拟

研究了有限元法(FEM)和有限体积法(FVM)模拟金属塑性成形的基本理论和求解方法．针对铝合金门窗型材制品截面形状十分复杂、壁薄而成形坯料厚的具体特点，分别采用FEM和FVM对其挤压成形过程进行了对比模拟．结果表明，FEM计算效率高，但在模拟终成形阶段时，由于频繁的网格再划分，造成模拟结果严重失真；FVM避免了网格再划分问题，模拟精度高，但计算时间长．提出了采用FEM模拟铝型材挤压预成形，FVM模拟终成形的复合模拟方法，解决了料厚而壁薄这类铝型材挤压成形的数值模拟问题。     

螺杆结构对熔融金属挤压成型流场分布的影响研究

基于无限大平板模型进行挤出过程的压力公式推导，开展单螺杆结构对于熔融金属挤出过程的流场分布影响研究。将机头压力损耗计算所得压力数值与单螺杆挤出机建压数值进行对比，从而判断单螺杆挤出机挤出能力。采用ANSYS中的POLYFLOW模块对挤出过程进行仿真模拟，该模块采用网格叠加技术，模拟熔融状态下金属锡的挤出，其中忽略了惯性和重力影响的三维计算，对螺杆进行最优化设计。研究发现减小挤出机的机筒间隙及螺距可以增加螺杆元件对物料的输送能力，且由于金属具有超高流动性，在挤出中并不需要有完整的固体塞段。通过理论分析得到最优螺杆设计参数并完成样机制备，通过实验验证设备的可行性，最终结果表明所设计小型单螺杆挤出机能够实现金属锡的连续均匀挤出。