當前，我國正處于由制造業大國向制造業強國轉變的關鍵時期，裝備制造業是實現產業結構調整的基礎，切削刀具則是裝備制造業的重要配套。一直以來，傳統刀具切削研究以機床試驗為主要方式，然而，機床試驗設備成本高、耗時長，在一定程度上限制了切削刀具的發展。伴隨著信息時代的到來，計算機科學和有限元仿真軟件迅速發展，基于有限元軟件的刀具切削仿真應用日益普及，為刀具切削研究提供了全新的思路。[1]

本文主要介紹了基于有限元軟件的刀具切削仿真應用，通過使用神工坊高性能仿真平臺進行全過程仿真，能夠在一定程度上提高效率、節約成本，同時為實際加工制造提供參考數據，發揮重要的支持作用。

01 案例介紹

本案例使用Abaqus 6.14。

Abaqus的優勢在于強大的非線性處理能力，通過熱力耦合分析步直接對切削過程進行準確的仿真分析。

在Abaqus的Explicit模塊下，有兩種金屬切削仿真的方法，一種是用溫度-變形耦合算法，另一種是任意拉格朗日-歐拉算法，本文使用前者。

Johnson-Cook 本構模型

Johnson-Cook 本構模型和斷裂準則誕生于上世紀八十年代，由Johnson和Cook提出，現被廣泛應用于沖擊領域。Johnson、Cook 等學者對OFHC銅、Armco鐵、4340鋼 等材料進行了不同應變率和溫度下的霍普金森拉桿、扭轉試驗，通過數值模擬與試驗結果對比，標定了12種材料的Johnson-Cook本構模型的參數；提出了考慮大應變、高溫以及高應力影響的斷裂準則，并通過 Taylor 撞擊試驗與數值模擬的對比進行驗證。[2]

02 全過程仿真流程

用戶可使用神工坊高性能仿真平臺進行刀具切削全過程仿真，通過web端即可享受“PC式高性能體驗”，使用超算硬件資源和海量軟件資源開展仿真工作，高效快速地進行研究。

以下仿真過程針對刀具切削過程中變形與摩擦集中的區域。

一、使用「圖形應用」進行前處理

為了使仿真研究的針對性更強，有限元分析效率更高，故將正交切削模型進行簡化。將刀具簡化為刀尖模型，設置刀具前角為10°，刀具后角為10°；將工件簡化為15mm×5mm×1mm的長方體模型。

簡化后的仿真模型

網格劃分

材料屬性設置塑性（Johnson-Cook）、熱傳導率、剪切損傷、比熱等材料行為。

二、使用「仿真應用」進行仿真求解

將前處理過程的設置生成為inp文件后，使用神工坊高性能仿真平臺「仿真應用」進行計算，后將inp文件提交至計算資源中。

仿真求解過程

因仿真過程涉及熱力耦合，條件較為復雜，故使用192核心進行計算，共用時11h13min完成計算。

神工坊高性能仿真平臺計算時間

同時使用PC電腦進行計算，對比兩者完成時間。計算過程使用電腦CPU的全部24核心進行，共用時46h27min完成計算。

PC電腦配置

PC電腦計算時間

相較于傳統的PC電腦和個人工作站，使用神工坊高性能仿真平臺能夠顯著縮短時間，實現更高效的仿真任務。

三、后處理過程

計算完成后，再次使用「圖形應用」打開結果文件，可進行對仿真計算結果的分析。

后處理過程

計算結果如下

本案例的后處理結果云圖可反映刀具切削過程中的應力變化。刀具與工件材料之間接觸區域的顏色較深，表示該區域的應力值較高，這是由于在切削過程中，工件受到擠壓和剪切力的作用，產生了應力集中現象。

03 結論

作為國民經濟各工業部門的基礎配套產業，切削刀具對提高制造業效率起著不可替代的作用。為了滿足制造業和科研工作者的仿真需求，神工坊高性能仿真平臺可實現對刀具切削過程的模擬，助力提高刀具切削質量，降低制造成本