ABAQUS金屬切削實例步驟

1、背景介紹：切削過程是一個很復雜的工藝過程，它不但涉及到彈性力學、塑性力學、斷裂力學，還有熱力 學、摩擦學等。同時切削質(zhì)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了工件的精度和疲勞壽命。利 用傳統(tǒng)的解析方法，很難對切削機理進行定量的分析和研究。計算機技術(shù)的飛速發(fā)展使得利用有限元仿真方法來研究切削加工過程以及各種參數(shù)之間的關(guān)系成為可能。近年來，有限元方法在切削工藝中的應用表明，切削工藝和切屑形成的有限元模擬對了解切削機理，提高切削質(zhì)量是很有幫助的。這種有限元仿真方法適合于分析彈塑性大變形問題，包括分析與溫度相關(guān)的材料性能參數(shù)和很大的應變速率問題。

2、ABAQUS作為有限元的通用軟件， 在處理這種高度非線性問題上體現(xiàn)了它獨到的優(yōu)勢，目前國際上對切削問題的研究大都采用此軟件，因此，下面針對ABAQUS的切削做一個入門的例子，希望初 學者能夠盡快入門，當然要把切削做好，不單單是一個例子能夠解決問題的，隨著深入的研究，你會發(fā)現(xiàn)有很多因素影響切削的仿真的順利進行，這個需要自己去不 斷探索，在此本人權(quán)當拋磚引玉，希望各位切削的大神們能夠積極探討起來，讓我們在切削仿真的探索上更加精確，更加完善。切削參數(shù)：切削速度300m/min，切削厚度0.1mm，切削寬度1mm尺寸參數(shù)：本例作為入門例子，為了簡化問題，假定刀具為解析剛體，因為在切削過程中，一般我們更

3、注重工件最終的切削質(zhì)量，如應力場，溫度場等，尤其是殘余應力場，而如果是要進行刀具磨損或者涂層刀具失效的分析的話，那就要考慮建立刀具為變形體來進行分析了。工件就假定為一個長方形，刀具設置前角10°，后角6°，具體尺寸見INP文件。下面將切削過程按照ABAQUS的模塊分別進行敘述，并對注意的問題作出相應的解釋。建模：建模過程其實沒有什么好注意的，對于復雜的模型， 我一般用其他三維軟件導入進來，注意導入的時候盡量將格式轉(zhuǎn)化為IGES格式，同時要把一些不必要的東西去掉，比如一些尖角，圓角之類的，如果不是分析那 個部位的應力集中的話就沒必要導入它，如果導入，還要進行一些細化，大大降低

4、了計算的效率。我一般做的是二維切削，模型相對比較簡單，所以一般都是直接在 ABAQUS中進行建模。由于此處為剛體，要在part里面建立剛體參考點，而且注意不要在裝配模塊建立參考點，因為有時候ABAQUS找不到裝配模塊相 應的參考點。 第二步定義材料參數(shù)，在這個階段要注意的問題是要把參數(shù)定義全，尤其是你要考慮什么，要計算什么，比如你要考慮熱應力，那你就要定義熱膨脹系數(shù)，你要考慮 刀具的溫度場，你就要定義刀具的密度，熱導率，比熱容等，這部分最終要的是關(guān)于工件塑性的問題，現(xiàn)在切削大部分用的都是J-C模型，一方面它全面考慮了熱 硬化，熱軟件等多種效應，另一方面可以通過霍金普森實驗比較容易確定，因此廣泛

5、應用于現(xiàn)代切削加工的塑性模型中。下面針對這個模型做簡單介紹。J-C模型 的式子我就不再輸入了，相信每一個做切削的人應該都知道的，分為三個部分的乘積，分別代表了熱硬化，熱軟化和溫升效應，運用這個模型的時候，參數(shù)根據(jù)實驗 輸入即可，在定義的時候，有個參考應變率，這個一定記住是做實驗時候的參考應變率，所以有時候不同的參考應變率，擬合的參數(shù)A,B等可能是不同的，因此， 在選擇模型的時候一定要注意參考應變率和實驗的參考應變率相對應，這樣你所得的參數(shù)才是準確的。在定義材料參數(shù)時，要注意別忘了定義非彈性熱系數(shù)，這個參 數(shù)將決定你的塑性產(chǎn)熱，如果你發(fā)現(xiàn)自己的切削溫度場不對，很大程度上是因為沒有定義這個參數(shù)。另

6、外還有一個非常重要的問題，單位一定要統(tǒng)一，不然你的計算 肯定會出錯，記住mm-t-MPa，其他自己推一下就行。第三部裝配模塊，這個沒啥說的，就是把你自己工件的刀具的相對位置確定一下就行了。先通過Instance part建立工件和刀具的裝配模型，然后通過translate instance調(diào)整工件和刀具的位置，盡量保證工件和刀具充分接近，但是不要產(chǎn)生干涉，工件和刀具如果如果太遠，刀具空走的路程會長，容易產(chǎn)生一些振動 什么的，如果太近，產(chǎn)生干涉，影響刀具和工件的正確接觸關(guān)系，因此要把握好工件和刀具的距離，其他的基本上都很簡單。第四部定義分析步，目前大體在ABAQUS中做切削分析可以采用兩種分析步

7、，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力相互耦合及 相應機制，另一種是動態(tài)絕熱分析，認為切削仿真是在短時間內(nèi)完成的，在這么短的時間內(nèi)，熱量還未來得及發(fā)生傳導，這種分析步一般進行鋸齒切屑形狀的分析， 容易產(chǎn)生鋸齒的剪切帶。如果是采用ALE,要定義相應的ALE設置。下面對ALE做相應簡介，其實這涉及到ABAQUS中相應的算法，在ABAQUS中一 種是拉格朗日算法，一種是歐拉算法，拉格朗日算法的節(jié)點是基于實體單元的，也就是實體單元的節(jié)點的位置，一般用于固體分析，而由于算法本身的特點，在遇到 大變形時候很容易產(chǎn)生畸變，歐拉算法是基于空間的，一般用于流體，其相應的節(jié)點也是基于空間

8、的，網(wǎng)格劃分后其在空間的位置是不變的，但是其邊界條件難以定 義和琢磨，而ALE結(jié)合了拉格朗日算法和歐拉算法的優(yōu)點，一方面通過拉格朗日方法定義邊界，另一方面利用歐拉方法解決網(wǎng)格畸變問題，因此目前在切削領(lǐng)域由 于很好的解決了問題而得到廣泛的應用。關(guān)于ALE的具體設置可以參看ABAQUS經(jīng)典例題3中的穩(wěn)態(tài)切削的例子，由于時間和空間有限，有些東西我是說不完 的，希望大家能自己去探索。如果想輸出切削力隨時間的時域圖，在這里要選擇參考點，然后設置set，然后在historyoutput里面輸出參考點即 可。如果想加快計算時間，可以采用質(zhì)量放大，但是放大的尺度一定要把握好，不然會造成結(jié)果失真的，具體可以參照

9、幫助文檔關(guān)于質(zhì)量放大的介紹。第五部分定義接觸，首先定義接觸屬性，這個要考慮自己具體的計算過程了，比如考慮不考慮摩擦等，一般對切削而言，需要設置相應的摩擦，采用硬接觸的形式， 而且一定要定義兩個系數(shù)，一個是生熱系數(shù)，一個是熱量分配系數(shù)，生熱系數(shù)主要是計算摩擦做的功有多大的比例產(chǎn)生熱，前面我們已經(jīng)在材料里面定義了塑性產(chǎn)熱 的轉(zhuǎn)化系數(shù)，熱分配系數(shù)主要是摩擦最終產(chǎn)生的熱量有多少流入工件，有多少流入刀具。接下來就是定義接觸了，選擇刀具接觸表面以及工件接觸表面，可以建立相 應的接觸關(guān)系，本例因為模型簡單，所以只需定義一個接觸對即可。然后就是對刀具施加剛體約束就可以了。如果是變形體的話，不用給刀具施加剛體約

10、束的。第六部分定義載荷和邊界條件，對于切削來講，一般都是通過固定工件下部分和左邊，然后讓刀具以一定速度切削，具體定義過程比較簡單，而且一般會在預定義場 定義初始工件和刀具的溫度場。需要注意的是在定義刀具速度的時候，可以采用幅值的方式，這樣可以使得整個速度逐漸加載到所要定義的速度，從而不至于產(chǎn)生特 別大的位移，從而對結(jié)果產(chǎn)生影響。第七部分是劃分網(wǎng)格，這也是對仿真結(jié)果非常重要的一步，因為切削是一種非線性非常強的本構(gòu)關(guān)系，如果網(wǎng)格過于粗糙，往往造成結(jié)果的不收斂，尤其是在切屑部 分，其密度直接決定最終切削結(jié)果的成敗，因此對切削的重點部位進行網(wǎng)格的細化是非常重要的環(huán)節(jié)。我一般對矩形的網(wǎng)格采用四邊形網(wǎng)格，可以劃分比較