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.     

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.     

金属切削过程的有限元法仿真研究

切削过程的建模和仿真在改善切削刀具的设计和优化切削参数方面有很大的发展潜力.建立了切削过程仿真的有限元模型预报切削力、刀具应力和切削温度.在预先收集工件流动应力数据和高应变率及高温下的摩擦因数的基础上,利用有限元软件Deform仿真研究切削过程.为了验证仿真准确性,进行了硬度200 HB的45#钢的无涂层硬质合金刀具切削试验.结果表明:切削力的预测值和试验值之间表现出了合理的一致性和共同的发展趋势;预测的切削温度的最高点无论在什么切削条件下,总是落在刀具的前刀面靠近主切削刃的部分;预测的最高的刀具应力出现在刀具的前刀面上靠近主切削刃的部分.     

干切削过程中切削力和切削温度的数值模拟及试验

建立了基于拉格朗日增量法的切削有限元模拟模型并分析了正交干切削6061-T6过程中切削力以及切削温度的变化.工件材料的流动应力看成是应力、应变以及温度的函数.模拟过程从刀具切入工件开始直到达到稳态.计算结果包括切屑形态,以及应变、应力、应变速度和温度的分布.同样条件下的多组切削试验用于验证有限元模型的正确性.     

钛合金Ti6Al4V铣削加工中切削力的三维数值模拟

结合航空钛合金立铣加工的实际情况,提出了主、副切削刃同时进行切削的螺旋齿双刃切削有限元模型,进而利用该模型对航空钛合金Ti6A l4V进行了铣削加工切削力的三维数值模拟研究,得到了铣削过程中切削力的变化曲线和数值,揭示了铣削过程一个周期内切削力的变化规律.通过铣削力实验测得了相同切削条件下的切削力,实验结果与有限元模拟结果较为一致,证明所建立的有限元模型是正确的,可用于预报铣削力值.切削力三维数值模拟的研究为钛合金这种难加工材料切削加工工艺参数优化、刀具的合理选择及其优化设计奠定了基础,同时也为进一步有效控制钛合金航空薄壁零件因切削力作用引起的加工变形提供了新的研究手段.     

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。     

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.     

采用能量法预报切削力

基于剪切角的最小能量解，对正交切削时的切削力进行了理论预报。计算过程由计算机完成。验证试验的结果表明，理论计算值与实测数据有一个系统差值。这个系统差值即刀具刃口及后刀面上的作用力，其数值范围与先前的实际测定结果取得了定性上的一致。将系统差值修正后，切削力的计算误差小于３％．最后讨论了研究金属切削过程考虑温度与应变率对被加工材料流动应力特性影响的必要性。     

基于有限元仿真的刀具几何参数优化

为了研究干式切削加工中刀具几何参数对难加工航空材料加工过程和表面质量的影响,建立了二维正交切削有限元模型.利用Advant Edge FEM仿真软件模拟了立方氮化硼刀具干式车削高温合金GH169的过程,分析了刀具前角、后角、刃口钝圆半径对工件表面残余应力的影响.采用矩阵分析法对刀具几何参数对切削力、切削温度和最大残余拉应力的综合影响进行分析计算,得到了最优刀具几何参数组合,延长刀具寿命的同时改善了工件表面质量.     

不同形状的表面织构刀具仿真车削 Inconel 718 合金研究

目的 针对目前车削 Inconel 718 镍基高温合金主要面临的可加工性差和刀具磨损两个问题,提出表面微织 构技术进行刀具设计与制备。 方法 首先建立微织构刀具的理论刀-屑接触长度模型,其次,利用理论刀-屑接触长 度模型,建立表面织构刀具切削力的理论模型以及切削热的理论模型;最后,根据理论刀-屑接触长度的变化规律, 对微织构刀具的切削力、切削温度进行理论分析,并最终建立有限元仿真模型。 结果 通过有限元仿真结果表明微 织构刀具比硬质合金刀具的车削性能要好。 结论 与硬质合金刀具的切削力对比,微织构刀具的三向切削力均偏 小;且轴向力、径向力在一定范围内波动,主切削力呈增长趋势。 与硬质合金刀具的切削温度对比,微织构刀具可 以降低切削过程中切削热,且圆形微织构刀具是 3 种微织构刀具中切削温度最低的;与硬质合金刀具对比,表面微 织构可以降低刀具表面磨损问题,减少刀具与切屑的挤压作用和摩擦作用,且不同形状的表面织构产生的磨损深 度不同。     

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%.     

切削加工中的刀—屑接触区应力分布计算模型建立

切削加工中,刀—屑接触区的应力分布直接影响着切削加工性能、切削温度分布及刀具磨损等,本文通过对直角切削时的切削力的分析和刀—屑接触长度的计算,建立了刀屑接触区的正应力与剪应力的分布计算模型,通过该模型可直接得到刀具前刀面的应力分布情况.     

深部矿井煤系地层软岩蠕变特征试验

采用在预定围压下先固结后径向卸载的三轴蠕变试验方法,模拟软岩巷道开挖过程应力状态变化,通过三轴卸载剪切蠕变试验表明随剪应力水平的降低蠕变速率显著减小.当剪切应力高于一临界值时,深部矿井软岩蠕变过程历经减速、定常和加速蠕变三个阶段破坏.根据试验结果,为描述非线性加速阶段蠕变规律,采用改进的元件,提出了软岩非线性的黏弹塑蠕变本构模型,通过有限元本构程序的二次开发,将提出的本构模型嵌入到ADINA非线性有限元程序中.对某矿井巷道软岩开挖支护过程进行数值模拟,表明弹黏塑蠕变本构力学模型能够较好地反映软岩的变形特征,数值模拟和实测结果吻合良好,可为矿井深部软岩巷道设计与施工提供参考.     

TBM盘形滚刀破岩最优贯入度的数值模拟

为了研究TBM盘形滚刀的破岩效率及其最优贯入度,运用有限元单元理论,采用扩展的Drucker-Prager非线性弹塑性本构模型作为岩石的本构模型,考虑包括单元删除功能的损伤失效准则,对双滚刀切削岩石的过程进行三维动态模拟,研究岩石与刀具相互作用特性。利用回转式切削实验台进行双滚刀破岩实验,验证结果的合理性。研究结果表明:当贯入度为2.0 mm时,2把滚刀的切削力基本相同;当贯入度为10.0 mm时,前把滚刀的切削力大于后把滚刀的切削力;在特定地层下,存在1个最优贯入度,使得滚刀切削比能耗最低;当贯入度为4.3mm时,岩石裂纹能相互交汇,形成完整的碎片,切削比能耗最小;当贯入度小于4.3 mm时,岩石不能产生贯穿裂纹,形成岩脊;当贯入度大于4.3 mm时,岩石过度破碎。     

基于响应曲面法的CFRP高速铣削切削力试验研究

切削力是高速切削过程中重要物理量之一,直接影响到加工质量和刀具寿命。文章采用中心复合响应曲面法建立了碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)高速铣削过程切削力模型,并用方差分析对模型及回归系数进行了显著性检验,分析了主轴转速、每齿进给和切削深度对切削力的影响规律,为高速铣削过程中切削参数的选择及切削力的控制提供了试验依据。试验结果表明:该模型能较好地预测切削力,切削深度和每齿进给对切削力的影响较大,切削力随着切削深度或每齿进给的增大而增大,主轴转速则对切削力影响不是很大。     

磁场作用于工艺系统对切削过程影响的试验

通过试验研究磁场作用于工艺系统对切削力、刀具磨损、系统稳定性及加工精度的影响，根据切削区摩擦系数的对比试验和磁畴理论分析了磁场对刀具刃磨后表面残余应力的影响。对其机理进行了探讨。研究表明，磁场作用结果使刀具磨损减小、切削力降低、工艺系统稳定、加工精度提高。     

大应变切削制备纳米晶/超细晶切屑形成机理的有限元研究

本文建立了大负前角和钝圆半径联合作用的大应变切削模型,采用有限元Deform分析软件模拟较低的切削速度下,刀具前角和钝圆半径对切屑形态、应力、应变、应变速率、切削温度和切削力的影响。实验结果显示,随着刀具前角的减小和钝圆半径的增加,切削变形区中等效应变、应力、应变速率、切削温度和切削力均有一定程度的增加,且刀具前角相比钝圆半径具有更加重要的影响,而负前角切削时,钝圆半径的作用明显减弱。大负前角低速切削条件下,切屑在相对低的温度、较高的应变速率和应力下发生大剪切应变,形成具有纳米晶/超细晶结构和高硬度的切屑材料。     

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。     

刀具几何参数对已加工表面残余应力影响的模拟

建立了平面应变状态下的正交切削模型,并基于热-弹塑性有限元理论和改进的Lagrange方法,利用有限元软件对切削过程和残余应力的获得过程进行模拟,得到了已加工表面残余应力的分布规律,以及刀具前角和刀刃圆弧半径对残余应力的影响规律。研究发现,残余应力的数值随着圆弧半径的增大而增大,随着刀具前角的增大而减小。本文的结论可为调整和控制残余应力、提高已加工表面质量提供指导。     

SPH法数值仿真三维切削破岩和切削力估算

以Mohr-Coulomb模型描述岩石,在LS-DYNA中用SPH(Smootheed Particle Hydrodynamics)法模拟三维刀齿切削破岩,探讨切削参数和岩石性质对切削力的影响.基于切削力随各切削参数和岩石性质的变化规律,建立切削力估算公式.用所得公式计算切削力,并与实验值进行比较.仿真结果表明:切削厚度、切削前角、切削宽度、岩石的内聚力和内摩擦角对切削力影响显著,切削速度在较低范围内变化时对切削力影响非常小.三维切削仿真能够较好地反映刀齿两侧岩石颗粒对切削的影响,比二维理论模型更接近实际.所得切削力估算公式能准确计算仿真中的平均切向力,且其计算值能与实验吻合较好.验证了基于SPH法的数值仿真用于研究刀齿切削破岩的可靠性.