切削過程的有限元模擬的案例
金屬切削過程宏觀和微觀尺度有限元仿真進展
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 基于有限元軟件的刀具切削仿真應用
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 基于有限元-元胞自動機法（CAFE）的增材制造過程組織模擬
<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">
<img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-axegupay5k/6d18f544077e4f7891aafa2bda90eca2~tplv-tt-origin-web:gif.jpeg?
展開 主推力節鍛造成形過程有限元模擬
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。將有限元仿真技術應用于先進航空發動機零部件的工藝準備階段，根據分析結果優化工藝方案和工藝參數，避免缺陷的產生，從而提高產品質量。數值模擬技術已成為使塑性加工由“經驗”走向“科學”、由“定性”走向“定量”的橋梁，并逐漸成為塑性加工技術研究和發展的強有力工具。
40CrNiMoА 鋼是一種優良的低合金高強度調質鋼，有良好的室溫強度、塑性以及淬透性，廣泛應用于航空、汽車等領域。航空發動機用40CrNiMoА 主推力節整體結構為有一定彎曲角度的薄壁鍛件，包括多個異面凸臺和與凸臺相連接的筋板，屬于高筋薄壁的復雜零件，在鍛造成形過程中容易出現充不滿、折疊等缺陷。為防止鍛件在成形過程中產生缺陷，我們利用Deform-3D 數值模擬仿真軟件對40CrNiMoА 主推力節鍛造成形過程，進行三維有限元模擬，動態展現鍛件成形過程的金屬流動，分析溫度場和應變場的分布規律，預測鍛件的折疊和充不滿等成形缺陷，從而為工藝設計提供參考和理論依據。
有限元模擬條件
初始條件設定
根據模具設計得到的結果，應用繪圖軟件UG 對模具和坯料進行三維實體造型，將圖形以STL 格式保存，導入Deform-3D 前處理器。主推力節鍛造過程模擬的有限元模型，如圖1 所示。
材料定義
在材料成形過程中，模具一般只發生微小的彈性變形，本文將模具設置為剛體，鍛件的材料設定為40CrNiMoА。
展開 
有限元分析模擬計算過程分析與計算特點202007
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、國防軍工、船舶、鐵道、石化、能源和科學研究等各個領域的應用普及，已使設計水平發生了質的飛躍。
主要仿真計算專業領域
瞬態結構仿真、靜態仿真計算、流體仿真計算(CFD） 、電磁仿真計算（EM）、多物理場仿真仿真、熱分析、聲波仿真計算等
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（二）有限元仿真計算特點分析
2.1 有限元分析各個環節計算過程分析
第一階段 前后處理器計算過程分析
有限元前處理器是從幾何模型形成物理模型的物理建模（幾何建模）、由物理模型形成數學模型（網格劃分）的數學建模兩個過程，
常見有限元分析前處理軟件：
ANSYS SpaceClaim，Meshing，ICEM CFD
Altair HyperMesh
MSC Patran
ANSA
Abaqus /CAE
Siemens Femap
一般來說，CAE分析工程師大部分時間都花費在了有限元模型的建立和修改上，真正的分析求解時間也消耗在了工作站或集群上，所以一個適合自己應用功能強大有限元前處理軟件和一部高性能建模工作站是非常必要的。
展開 有限元模擬技術在從板鍛造過程中的應用
（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 基于晶體塑性有限元（CPFEM）的鈦合金圓棒拉伸過程模擬
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。通過這種技術，研究人員和工程師可以更好地理解材料的力學行為，從而開發出更輕、更強、更耐用的材料和產品。此外，晶體塑性有限元仿真還能夠考慮材料的微觀結構特征，如晶粒取向、晶界、相分布以及滑移系統的活動，從而能夠預測材料在細觀尺度上的織構演化。
利用CPFEM方法對鈦合金圓棒拉伸過程進行模擬，使用UMAT子程序以及Abaqus有限元軟件作為晶體塑性有限元分析的實現方式。并且，在一些復雜工藝條件下如切削、軋制、沖壓等，CPFEM方法同樣適用，能夠模擬材料變形過程中的非線性行為和動態響應。
在晶體塑性有限元中，首先在Abaqus中建立了單軸拉伸有限元模型如圖1所示，材料被建模為包含大量晶粒的集合體如圖2所示，每個晶粒都有其特定的晶體取向，并且每個晶粒的變形過程均考慮了滑移和孿晶的變形機制。
圖1 單軸拉伸有限元模型示意圖
圖2 單軸拉伸晶體塑性模型示意圖
通過有限元方法，可以計算出在給定拉伸載荷下，這些晶粒如何相互作用，以及它們如何隨時間變形。這種方法能夠提供關于晶體材料內部應力、應變和變形機制的詳細信息，有助于理解材料在受力時的響應，并優化材料的設計和加工過程。圖3所示為單軸拉伸過程應力云圖，圖4所示為單軸拉伸過程孿晶云圖。
展開 隧道開挖過程的CEL三維大變形有限元模擬
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.
展開 『分享』異步軋制的過程的有限元模擬.pdf
異步軋制的過程的有限元模擬.pdf
模具扇形角對機械擴徑成形過程的影響.pdf
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『分享』純鎂旋鍛變形過程的有限元模擬
純鎂旋鍛變形過程的有限元模擬
棒材切分軋制過程中三維彈塑性有限元模擬.pdf
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『分享』金屬板料分層漸進成形過程有限元模擬
金屬板料分層漸進成形過程有限元模擬
摘要：本文介紹了金屬板料分層漸進成形過程有限元模擬。在金屬板料漸進成形過程中，材料的彈塑性變形十分復雜，影響成形過程的因素很多，同時各個工藝參數對成形過程的影響又很難確定。為此根據金屬板料分層漸進成形為多工步成形的技術特點，建立一種有限元模擬方案，對板料漸進成形過程進行模擬分析。
金屬板料分層漸進成形過程有限元模擬.doc
基于晶體塑性有限元方法模擬不同取向單晶鋁簡單拉伸過程中的響應情況和取向演化情況------案例二十四
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
5，后處理與結果展示（默認圖片中單晶取向與表順序相同）
不同取向單晶拉伸的應力分布云圖
不同取向單晶的累計塑性應變分布云圖
不同取向單晶拉伸過程中應力應變響應
同取向單晶拉伸過程中取向演化（紅色為初始取向，藍色為變形后的取向）
立方取向單晶織構演化
旋轉立方取向單晶織構演化
銅型取向單晶織構演化
黃銅取向單晶織構演化
戈斯取向單晶織構演化
S取向單晶織構演化
R取向單晶織構演化
Taylor取向單晶織構演化
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