磨粒研磨仿真的案例
基于FE-SPH耦合的算法采用ANSYS/LSDYNA仿真磨粒磨削硬脆材料的裂紋仿真方法總結 ￥9.99
30angle 裂紋云圖
30angle 沿深度方向的裂紋分布云圖
調試許久的金剛石磨粒磨削硬脆材料引起的裂紋延伸擴展云圖終于有了一定的進展，紀念一下。2021-12-7.
基于FEM-SPH耦合算法的磨粒仿真研究
2.2模型簡化
為了使仿真模型更加準確反映實際磨粒加工導致的損傷及裂紋擴展情況，做出如下三點模型簡化，最終模型簡化示意如圖2.3所示。
（1）研磨過程簡化成單顆磨粒對工件的變切深刻劃過程，磨粒設為圓錐狀，工件設為長方體。理由：研磨是通過磨盤上的微粉金剛石磨粒與工件之間的相互沖擊、劃擦等力學物理作用來去除材料（見圖2.1），因此，將研磨盤加工等效為單顆磨粒加工；在極短時間內研磨盤的復雜運動可以等效為直線劃擦運動；此外根據實際金剛石磨粒壓頭形狀，將磨粒設為圓錐形狀，工件設為長方體。
（2）忽略加工系統的振動及工件材料的熱傳導。理由：研磨相對磨削具備更低的轉速，在加工過程中的散熱及振動很小。
（3）磨粒設為剛體。理由：磨粒為金剛石材質，為自然界最硬的物質，其硬度、強度遠遠大于單晶碳化硅。
2.3模型幾何尺寸
刻劃實驗中采用圓錐角為120°，圓錐倒角半徑0.2mm的金剛石壓頭，故仿真中設置磨粒特征尺寸與之相同。工件尺寸與磨粒特征尺寸配合到同一尺度下即可，均為mm級，設為2×1×0.3mm3。
長方體工件（長×寬×高）：2.0mm×1.0mm×0.3mm
圓錐磨粒尺寸：圓錐角120°，圓錐倒角半徑R=0.2mm
3.仿真方法
3.1仿真算法選擇
FEM-SPH（Finite Element Method-Smoothed Particle Hydrodynamics）耦合算法，即有限元-光滑質點流體動力學耦合的方法。
本文所用的加工材料單晶碳化硅屬于典型的硬脆材料，對于硬脆材料的研磨加工仿真，單純用有限元法（FE）來模擬往往會因為網格畸變而導致計算精度低甚至計算強行終止的情況。這是因為在磨屑的形成過程中，材料的去除會經歷彈性變形階段、彈塑性轉變階段、塑性變形階段、塑脆性轉變階段及脆性斷裂，且這一過程中工件材料會產生大量的不連續裂紋。
展開 模型分享13——隨機磨粒砂輪模型建模與仿真 ￥99
仿真文件說明
1、多面體磨粒自定義隨機建模
2、磨粒在砂輪表面隨機三維分布
3、砂輪磨削模型和仿真
4、磨粒和仿真均可以自定義修改
5、附件為建模和仿真的完整文件
6、該模型答疑和協助仿真
7、目前沒有時間錄制操作視頻
仿真視頻
仿真圖片
通過添加微信或者QQ可獲得答疑
WeChat & QQ：1489785835
仿真軟件ABAQUS 6.14-1
付費描述
三維多面體磨粒、圓周隨機分布、砂輪建模、磨削仿真的CAE文件
展開 磨粒耦合仿真中的求解時間過長問題 ￥5.2
在雙顆磨粒及多顆磨粒耦合劃擦仿真中，隨著磨粒數的增多及對磨粒約束的增加，模型求解時間迅速增加，在設置不出錯的情況下，有時候甚至長達幾百個小時，這是我們不能接受的。建立的模型如圖1所示。我們來分析原因。
圖1 雙顆磨粒耦合模型
首先求解時間過長的原因與磨粒的復雜運動有關，本文中磨粒在Z向做拋物線運動，先向下在向上在sph粒子表面劃過深淺不一的溝槽，其次磨粒在Y方向做勻速直線。這樣的復合運動使得計算量大大增加。
其次磨粒與sph粒子的接觸采用自動點面接觸，多對接觸對使得接觸算法不斷循環，從而計算時間急劇增加，，隨著后面磨粒數增多到三顆、四顆、五顆...其計算時間必然更長，所以改進接觸算法是主要原因。
最后求解時間與sph粒子的數量直接相關。本文中SPH粒子設置的是200000，粒子間隔0.01mm，也即是10μm，粒子之間是通過罰函數來互相建立聯系的，故粒子束增多，罰函數求解時間增長。
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磨粒十字刻劃氧化鋁陶瓷損傷仿真云圖
通過ANSYS/LSDYNA軟件建立雙磨粒90°刻劃氧化鋁陶瓷表面，材料用JH-2本構，損傷失效選用最大拉伸失效，因此fs設為負值，金剛石磨粒為自然界最硬的物質，選用rigid本構。通過速度曲線加載方式定義磨粒的運動方式，模型建立完成后于LSDYNA Solver求解，最終結果用LSPP查看，得出的損失云圖如下圖所示。
基于FE耦合SPH算法的磨粒變切深刻劃碳化硅陶瓷仿真
粒子拋擲效果及損傷分布與相關文獻中基本一致，驗證了FE耦合SPH算法的合理性，可用于磨粒精密加工領域。
FEM-SPH耦合算法高效性驗證及球形磨粒恒切深劃擦6H-SiC仿真
圖4-3最大等效應力
4.4材料去除狀態分析
球形磨粒在研磨加工硬脆工件時，一般是以脆性斷裂的形式去除材料。圖4-4分別給出了在相應時刻的塑性應變、等效應力圖。可以看出磨粒正前方45°范圍內所受應力最為嚴重，也就意味著工件在這一范圍內最容易產生損傷堆積，同時磨粒以粉末狀飛濺去除與實際加工單晶碳化硅工件相一致，也初步驗證了仿真結果的正確性。而從磨粒對SPH工件的三向壓力來看工件損傷區域的方向更為直觀，如圖4-5（a-c）所示，通過FCOMP→Misc→history#2可以看裂紋損傷情況如圖4-5（d）所示。
圖4-4應力應變圖
圖4-5X Y Z向磨粒對SPH工件的壓力顯示云圖（a-c），SPH工件損傷圖（d）
5 總結
經多次調試與仿真實驗，得出結論：
（1）計算效率方面：發現其計算時間比單純用SPH快了16倍（SPH算法耗時約16小時，而采用FEM-SPH耦合算法仿真耗時1小時13分鐘左右），仿真結果文件D3PLOT文件平均十秒一個，仿真過程極度絲滑。
（2）SPH邊界難以處理問題：FEM-SPH耦合模型不用考慮用虛粒子約束法定義SPH邊界，在耦合模型中直接將外層SPH粒子固連在FEM網格上即可。
因此，采用FEM-SPH耦合建模同時避免了單純S9PH算法的邊界難以處理、FEM網格算法難以處理大變形的兩個棘手問題。這為金屬切削、磨削加工、研磨拋光加工過程的仿真提供了一種更加高效的仿真手段，具有一定的理論與實踐意義。
參考文獻
[1] Groenenboom P H L, Cartwright B K. Hydrodynamics and fluid-structure interaction by coupled SPH-FE method[J].
展開 關于超聲研磨藍寶石的SPH模擬仿真方法導出磨屑應力云圖的方法
在刀具切削仿真領域，應用SPH算法進行金剛石刀具切削工件逐漸成為一個熱點。應用SPH算法表征材料在加工過程中的磨屑狀態、損傷情況、亞表面裂紋擴展對于揭示刀具切削原理更加直觀高效，是此方法的最大優勢之處。關于SPH算法的原理及建模思路本帖不加說明，讀者可自行前往技術鄰平臺搜索閱覽。本帖主要給出金剛石磨粒在加工過程中形成的SPH磨屑狀態分布云圖方法。
除去磨削力信號、力表面形貌、亞表面工件損傷云圖等直接表征加工好壞的評價指標，通過加工形成的磨屑狀態也能夠反映刀具的與加工參數的好壞，從而對加工參數進行指導。諸如加工合金類通常出現的卷尺狀切屑與加工鑄鐵等硬脆材料出現的團簇狀磨屑等。下圖給出金剛石工具加工藍寶石的磨屑狀態云圖。
具體方法是通過將SPH粒子顯示成Smooth狀態，調整顆粒大小合適（因模型而定），之后后處理中顯示應力云圖，將云圖播放至加工完成狀態，通過第三方軟件或者LSdyna自帶功能導出云圖，最后可以根據需要標上比例尺。
圖中可以直觀粒子的分布狀態與應力分布釋放，同時粒子飛濺大小也可顯示出來，可以根據磨屑尺度也對標加工切深，這樣就可以建立加工參數與加工質量的關系了。
圖1金剛石工具加工藍寶石磨屑狀態云圖
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