ABAQUS在金屬切削方面的實例

feya

2015年1月28日 10:50

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1.概述

金屬切削是研究切削加工過程中刀具與工件之間相互作用和各自變化規律的一門學科。切削是一個很復雜的工藝過程，不但涉及到彈性力學、塑性力學、斷裂力學，還涉及熱力學，摩擦學等。切削的質量受到刀具形狀，切屑流動，溫度分布、熱流和刀具磨損等影響，切削表面的殘余應力和殘余應變嚴重影響工件的精度和疲勞壽命。

金屬切削原理的研究已有上百年，研究內容涉及了刀具切削材料時扭矩的測量（1851年），刀具幾何參數對切削力的影響（1864年），切屑行成的解釋（1870- 1940年），切削速度對刀具壽命的影響（1907年），溫度與切削條件間的關系（1915-1926年）等。基于這些成果，可以進行傳統的實驗或解析的方法研究切削機理，但很難對其進行定量的分析和研究，且研究時間長，成本高。計算機技術的發展使得利用有限元仿真方法來研究切削加工以及各種參數之間的關系成為可能。

近年來，有限元方法在切削工藝中得到廣泛應用，這種方法對了解切削機理，提高切削質量很有幫助，且研究成本大大降低。ABAQUS作為功能強大的有限元通用軟件，在處理金屬切削這種高度非線性問題上體現了其獨到的優勢。本文就ABAQUS的金屬make切削一個簡單的例子，以幫助初學者盡快入門。

2.模型參數

（1）切削參數：切削速度5mm/s，切削厚度0.01mm，切削寬度1mm。

（2）模型尺寸參數：

工件：假定為一個長方體，長1.5mm，寬0.6mm，厚度0.01mm。

刀具：前角10度，后角6度，具體尺寸見圖1。

3.模型建立及設置
3.1模型建立
本文所用模型比較簡單，可以直接在ABAQUS的Part模塊進行創建，也可以使用其他三維軟件建模并導入ABAQUS。本文采用第一種方法。根據上述所給模型參數，參考圖1，建立工件和刀具模型如圖2所示。

3.2 材料參數定義
材料參數在Property模塊進行設置。設置材料參數的主要依據是分析的類型和所涉及的各項輸出，如考慮熱應力的分析，需定義熱膨脹系數（Expansion），若要考慮溫度場，則要定義模型的密度、熱導率、比熱容等。本案例最重要的是工件塑性的問題，因此采用廣泛應用的Johnson-Cook模型，該模型非常適合于模擬具有高應變率變形的金屬材料。其中包含的參考應變率需與實驗的參考應變率相對應，如此，得到的參數才是準確的。本文定義的材料參數如圖3所示。

定義完成之后，創建截面屬性，并將其分配給對應的工件。

3.3 模型裝配
在Assembly模塊完成，首先通過Instance創建工件和刀具的裝配模型，然后通過平移功能調整工件和刀具的位置，保證兩者充分接近，但不產生干涉。裝配好的模型如圖5所示。

3.4 定義分析步
目前，ABAQUS中make切削分析可以采用兩種分析步，一種是基于熱力耦合的分析步，這種分析步充分考慮了切削過程的熱與結構力相互耦合及相關機制，另一種是動態絕熱分析，這種分析認為切削在短時間內完成，因此熱量還未來得及發生傳導。本案例的分析時間較長，采用第一種分析步類型。
由于切削分析涉及了材料的極大變形，使用傳統的拉格朗日網格會產生嚴重的畸變，甚至導致分析停止，因此使用自適應拉格朗日-歐拉網格，即ALE。ALE結合了拉格朗日網格和歐拉網格的優點，一方面通過拉格朗日方法定義邊界，另一方面使用歐拉方法解決網格畸變問題，這種方法目前在大變形分析領域得到很好的應用。ALE是依賴分析步設置的，因此必須先在Step模塊中創建分析步，然后在同一模塊中設置ALE參數。本文設置的分析步和ALE參數如圖6、7所示，關于ALE的更詳細設置，請參見ABAQUS關于ALE部分的幫助文檔。
也可以適當地采用質量縮放，在保證結果正確的前提下，加快計算的時間。具體設置可參照幫助文檔中關于質量縮放的介紹。

3.5 接觸定義
首先定義接觸屬性。切削過程，需要設置相應的摩擦，采用的接觸形式為硬接觸，還需定義生熱系數和熱量分配系數。生熱系數主要是計算摩擦作用產生熱的比例，熱量分配系數主要是對摩擦所生熱量進行分配。接下來定義接觸，選擇工件和刀具的表面，以建立相應的接觸關系。接觸定義如圖8所示。
由于本案例主要關心工件的塑性應力場和熱應力場分布，因此對刀具施加剛體約束可以減少計算的時間，且不會影響計算的結果。