切削過程的有限元模擬
關注創建者：狗一只只 創建時間：2022-07-29
切削過程的有限元模擬的視頻教程
基于Lsdyna的金屬切削過程仿真教學
采用Lsdyna軟件對刀具切削金屬的動態切削過程進行有限元模擬,在LSPP中對仿真結果進行后處理，提取出切屑形狀、切削力、工件切削變形等信息，在切削仿真過程中為了保證與實際切削過程的一致性，采用J-C本構模型對工件的動態力學行為進行描述，參數如下，本文所用參數由實驗結果標定而來，成果已經發表在核心期刊中。附件中提供完整K文件供參考。
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切削過程的有限元模擬的實例教程
圖7 不同類型殘余應力的有限元仿真模型
3）回顧了在微觀切削過程中，建立有限元模型模擬材料去除機制，重點介紹了切屑形成中未切削切屑厚度，微切削力，微刀具磨損，微切削殘余應力和微觀組織演化的有限元建模與宏觀切削的區別。
a）考慮尺寸效應，進一步研究從塑性變形到剪切的臨界狀態，對工件表面質量的提高具有重大意義，如圖8所示。
圖8 切削力系數、比切削力、切削力等隨未切削切屑厚度和切削刃半徑的變化
b）在微銑削加工中，微銑刀剛度相對較差，導致它對切削力非常敏感，如圖9所示。
圖9 微銑削中切削條件對切削力影響的有限元模型
c）刀具刃口半徑、刀具磨損、刀具涂層和微觀尺度材料均勻性等對于微銑削質量的影響不可忽略。
d）比較J-C模型和加入應變軟化效應的改進J-C模型，改進J-C模型的殘余應力有限元仿真結果更接近實驗結果，證明了本構模型對殘余應力仿真結果的影響。
e）微觀組織的仿真精度很大程度依賴與本構模型，綜合考慮位錯密度、晶粒尺寸和再結晶效應的本構模型將顯著提高預測準確性。
4）介紹了有限元仿真與數字孿生和機器學習結合后對仿真預測的實時性和準確性的提高。
a）有限元仿真為分析刀具和工件之間的切削過程提供了重要依據特征。在不同的時間和空間尺度上模擬切削過程，結合數字孿生后，通過融合來自模擬和測量的特征，與只包含一個數據源相比，可以得到更高的預測精度。
b）基于機器學習法的有限元仿真模型可以實時評估，并對未知事件進行準確預測。
展開 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。
展開 <p>關鍵詞：增材制造；有限元，元胞自動機，凝固組織，晶體塑性</p><p class="ql-align-justify">增材制造技術是一種先進的數字化制造技術，其采用熱源熔融離散材料（如粉末），并逐層逐道沉積成3維實體構建。這與傳統減材制造 (切削、磨削等) 和等材制造 (鑄造、鍛壓等) 加工材料方式的本質不同。增材制造過程伴隨著快速的熔化和凝固循環，材料經歷復雜的熱歷程。這導致熔池內部及相鄰層、道之間形成獨特的微觀結構，包括精細的枝晶結構、晶粒尺寸、晶粒取向（織構）以及由微觀偏析引起的潛在析出相。這些凝固組織特征直接決定了制件最終的力學性能（如強度、韌性）和物理性能。因此，精準預測和控制凝固組織演變對于增材制造的工業化應用至關重要。</p><p>有限元-元胞自動機（CAFE）法是一種強大的跨尺度模擬方法，為研究增材制造凝固組織形成提供了有力工具。其采用有限元法或有限體積法建立起制造過程的宏觀熔池模型，模擬激光/電子束等熱源移動產生的瞬態溫度場（包括熔池形狀、溫度梯度G、冷卻速率R）、熱應力及潛在的熔池流動。</p><div contenteditable="false" width="100%" class="ql-align-justify">
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展開 （a）坯料鐓粗過程溫度場分布
（b）鐓粗過程成形力曲線
圖3 鐓粗過程分析
拍扁過程模擬分析
繼承鐓粗的模擬數據后，進行拍扁過程模擬，前處理的模擬參數與鐓粗模擬相同，將坯料鐓粗至90mm高，此時坯料與模具接觸表面溫度下降明顯，降低至940℃左右，其他位置只與空氣發生熱交換，溫度基本沒變。拍扁變形中，坯料的最大變形抗力為656噸，拍扁過程分析如圖4所示。
（a）坯料鐓粗過程溫度場分布
（b）拍扁過程成形力曲線
圖4 拍扁過程分析
終鍛過程模擬分析
在進行17型從板終鍛模擬時，選取飛邊橋部厚度不同的3個方案（編號1#、2#和3#）進行鍛模設計，厚度h分別選擇2mm、4mm和6mm，繼承拍扁模擬的模擬數據后，進行從板的終鍛模擬，前處理的模擬參數與拍扁模擬相同。
溫度場分析
1#、2#和3#方案成形后的溫度場變化基本相同，因此以2#方案為例進行溫度場分析，在從板表面及心部選取P1、P2、P3、P4和P5五個點進行熱力追蹤，得到曲線如圖5所示。從板表面P1點及P2點溫度下降較多，P1點成形后溫度降至942℃，這部分的熱量消耗主要是由于拍扁及終鍛過程中坯料與模膛發生大量的熱量交換造成的。從板表面的P3點及內部P4、P5點在變形過程中溫度基本未發生較大變化，并在某一階段還略有上升，最終的心部溫度保持在1135℃左右。
圖5 從板成形后溫度場及熱力追蹤曲線
應變場分析
從板熱鍛件最大厚度的尺寸為77.1mm±1mm，當3種方案模擬到達名義尺寸77.1mm左右時，模鍛完成，模擬結束。
展開 圖6：刀盤的推力隨開挖時間的變化過程
圖7：刀盤的扭矩隨開挖時間的變化過程
5.結論
（1）CEL大變形有限元方法可以模擬隧道開挖的整個過程，能有效地模擬開挖過程中土體的大變形；
（2）CEL大變形方法可以計算盾構機開挖過程中刀盤的推力和扭矩，能為實際工程提供參考，有效地控制盾構機的開挖速度，避免隧道發生坍塌。
5.硬件與計算時常分析
（1）計算機配置：整個CEL大變形分析是在DELL工作站上進行，配置為3.7 GHz 主頻Intel Xeon W-2255 CPU，128G memory。
（2）計算時間：CEL模型中有964712三維八節點歐拉單元，整個計算時間大概12h.
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作者：辭殤
關鍵詞：CPFEM；鈦合金；單軸拉伸；織構極圖；孿晶
晶體塑性有限元是一種結合了晶體塑性理論和有限元方法的數值模擬技術?。這種方法考慮了晶體材料的各向異性、滑移系統的開動和相互作用、以及變形過程中的硬化效應。它主要用于分析和預測晶體材料的塑性變形行為，特別是在微觀尺度上的變形機制。
晶體塑性有限元在材料科學和工程領域有著廣泛的應用，特別是在金屬加工、航空航天、汽車制造和生物醫學等領域
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
圖7 不同類型殘余應力的有限元仿真模型
3）回顧了在微觀切削過程中，建立有限元模型模擬材料去除機制，重點介紹了切屑形成中未切削切屑厚度，微切削力，微刀具磨損，微切削殘余應力和微觀組織演化的有限元建模與宏觀切削的區別。
a）考慮尺寸效應，進一步研究從塑性變形到剪切的臨界狀態，對工件表面質量的提高具有重大意義，如圖8所示。
案例說明
1，建立柱狀單晶鋁模型（直徑10um，高度25um）如下：
2，賦予單晶鋁對應的的單晶材料材料參數，（本案例主要考慮在立方金屬軋板中常見的典型取向）見下表（研究選取了前七種情況+taylor取向）
典型取向
3，進行網格劃分，采用C3D8R單元，共包含網格為5004個單元,網格模型如下：
4，X0面所有自由度均為0，X1面施加X正方向20%工程應變的拉伸位移邊界條件
1.研究背景
隧道開挖可能會造成嚴重的地表沉降，從而導致地面建筑物和人民的財產損失。因此研究隧道的開挖過程對附近建筑物的安全至關重要。同時研究刀盤的推力和扭矩能有效地控制開挖速度，保證隧道的安全施工。
隧道開挖時，土體發生了顯著的變形，傳統的小變形由于嚴重的網格畸變無法模擬土體的大變形過程，因此采用耦合的歐拉朗格朗日大變形有限元方法（CEL）。
圖1
隨著航空、航天等高科技領域的迅猛發展，對航空、航天鍛件的先進塑性加工技術提出了越來越高的要求。然而，航空、航天鍛件的塑性變形特點是幾何非線性、材料非線性和邊界非線性，過程復雜影響因素多。在傳統的工藝設計中，是基于經驗反復試錯糾正，最終達到設計要求，這種方法帶來的影響是研制周期長、效率低、成本高。近年來，隨著計算機軟硬件的飛速發展，數值模擬技術在減少試模過程，縮短產品開發周期，降低產品成本等方面發揮著越來越重要的作用
一）有限元分析介紹
有限元分析（FEA）借助高性能計算機工具，用“數值近似”和“離散化”方法對真實物理系統（幾何和載荷工況）進行模擬，如求解結構、熱傳導、電磁場、流體力學等連續性問題
有限元法在工程設計和科研領域得到了廣泛的應用，已經成為解決復雜工程分析計算問題的有效途徑，從汽車到航天飛機幾乎所有的設計制造都已離不開有限元分析計算，其在機械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器
為滿足澳大利亞客戶需求，我公司在鑄造從板的基礎上設計開發了16型、17型車鉤鍛造從板（圖1）。從板是鐵路貨車鉤緩裝置的重要配件，在車輛運行中，起到傳遞沖擊力和牽引力的作用，從板的質量直接影響行車安全。鍛造從板的材質為25MnCrNiMoA，成品重量為34kg。由于16型和17型從板結構及尺寸基本相同，所以本文僅對17型車鉤從板的鍛造工藝進行研究，采用Deform-3D軟件對17型從板的鍛造過程進行仿真模擬
棒材切分軋制過程中三維彈塑性有限元模擬.pdf
