基于Abaqus的钛合金切削仿真

基于Abaqus的钛合金切削仿真姓名：刘洋学号：13721381指导老师：戴春祥目录钛合金切削研究背景1abaqus软件介绍2基于abaqus的钛合金切削案例3小结4一钛合金切削研究背景钛及其合金具有密度小、强度高、耐腐蚀与抗疲劳和焊接性能良好等优良特性。目前钛总产量的70%左右用于航空航天和军事工业，包括军用飞机、民用飞机、航空发动机、航天器、人造卫星壳体连结座、高强螺栓、燃料箱、导弹尾翼、弹头壳体等[1]。钛合金主要应用一钛合金切削研究背景研究钛合金的切削性能很有意义，因为：钛合金被广泛的应用在航空航天等领域，而金属切削加工是机械制造的重要基础[2]。钛合金被划分为硬加工，因为它的高强度，韧性好，切削加工困难[3]。导热系数低，切削时，被加工表面温度高从而发生软化，可能会粘刀。化学性能活跃，与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应，如温度较高时与N作用也会形成TiN硬质表层；在600℃以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层[4]。1234二Abaqus软件介绍1978年，法国SIMULIA公司推出一款功能强大的有限元分析软件——Abaqus，它可以完成简单的有限元分析和模拟非常庞大复杂的模型，尤其是解决工程中大型模型的高度非线性问题[4]：ABAQUS主要分析模块ABAQUS/CAE建立几何模型、定义材料特性、边界条件、载荷等模型参数ABAQUS/Standard静态分析、动力分析、结构热响应分析、非线性耦合物理场的分析ABAQUS/Explicit解决高度非线性问题、适用于模拟短暂、瞬时的动态事件如碰撞冲击问题ABAQUS/CFD流体仿真模块ABAQUS/View与后处理有关ABAQUS/Design设计敏感度分析ABAQUS/Aqua主要用于海洋工程，模拟近海结构、海上石油平台导管与立架二Abaqus软件介绍生成部件定义材料参数装配零件定义分析步建立接触关系定义载荷、边界条件划分网格提交计算、获得结果二Abaqus软件介绍ABAQUS/Explicit（显示非线性动态分析）适用的问题类型：问题类型载荷增加导致结构刚度剧烈变化的问题混凝土开裂锻造、滚压成型等本质上是静态的问题高速动力学事件复杂的接触问题材料的退化和实效问题复杂的后屈曲问题高度非线性的准静态问题三基于abaqus的钛合金切削案例3.1金属切削过程金属切削过程是指刀具与工件相互作用形成切削的过程[5]。图3-1切削过程示意图3.2ABAQUS切削仿真3.2.1建立模型图3-2仿真模型图速度载荷边界条件网格划分三基于abaqus的金属切削案例铁合金和刀具的材料参数表3-1工件和刀具的物理参数三基于abaqus的金属切削案例铁合金和刀具的材料参数表3-2Johnson—Cook（弹塑性模型）材料参数图3-3金属试样典型的单轴向应力应变关系切削分离准则：Johnson-cook剪切失效模型是基于单元积分点的等效塑性应变，当材料实效参数ω超过1时，则假定为材料实效。如果在所有积分点材料发生失效，则该单元从网格中删除。失效参数ω定义为[7][8]：poi=——等效塑性应变增量（与每一个Load增量对应）p——开始发生破坏时的等效塑性应变oi三基于abaqus的钛合金切削案例4um6um8um10um网格相对大一些，可以节省计算时间网格小一些，可以与实验值相近需要划分合理的网格图3-4网格划分原则图3-5不同大小的网格划分图3-6不同网格划分下的切削力与切削时间的关系图图3-6可以看出，实验测量的切削力平均值为F，四种网格划分下计算的切削力在F上下波动，网格4、6、8um模拟出的数值比较接近实验值，考虑到网格划分原则，选取网格大小为8um，进行仿真模拟[9]。三基于abaqus的钛合金切削案例3.2.2模型计算及后处理图3-7scalarstiffnessdegradation（SDEG）尺寸刚度梯度SDEG大于0.74时，开始出现断裂三基于abaqus的钛合金切削案例3.2.2模型计算及后处理图3-8刀具切削过程中切屑的尺寸刚度梯度三基于abaqus的钛合金切削案例3.2.2模型计算及后处理图3-9刀具切削过程中，不同切削速度下的切屑的尺寸刚度梯度（刀具与切屑摩擦系数摩擦系数u=0.7、进给速度f=0.127mm/rev，切削速度Va=60m/min、Vb=120m/min、Vc=180m/min）。结论：速度越小，越不容易断屑，从而形成带状切屑，此时切屑过程平稳，切削力波动小，已加工表面的表面粗糙度值较小。三基于abaqus的钛合金切削案例3.2.2模型计算及后处理图3-11切削中，不同刀具前角γa和进给速度下的切屑的温度分布（V=120m/min、摩擦系数ua=0.7。（a）γa=15°、f=0.06mm/rev（b）γa=—6°、f=0.06mm/rev（c）γa=15°、f=0.1mm/rev（d）γa=—4°、f=0.1mm/rev结论：刀具前角越大，进给速度越小，越不容易断屑，从而形成带状切屑，此时切屑过程平稳，切削力波动小，已加工表面的表面粗糙度值较小。三基于abaqus的钛合金切削案例3.2.2模型计算及后处理四总结1、钛合金在切削过程中，切削速度越小，进给量越小，刀具前角越大，越不容易断屑，从而形成带状切屑，此时切屑过程平稳，切削力波动小，已加工表面的表面粗糙度值较小。2、用ABAQUS软件可以很好地模拟钛合金的切削过程，我们可以通过多次改变某一参数，分析该参数对切削过程的影响，从而优化钛合金的切削过程。参考文献[1]李梁，孙健科，孟祥军.钛合金的应用现状及发展前景.钛工业进展，2004（9）：第21卷.[2]魏飞，熊运昌.金属切削加工性能浅析.南阳理工学院.制造技术与工艺,2005（7）.[3]刘静安.钛合金的特性与用途.有色金属加工.2002（8）.[4]J.D.PuertaVelasquez,B.Bolle,P.Chevrier,G.Geandier,A.Tidu,MetallurgicalstudyonchipsobtainedbyhighspeedmachiningofaTi–6wt%Al–4wt%Valloy.MaterialsScienceandEngineering:A452–453(2007)469–474.[5]张建华,丁磊.ABAQUS基础入门与案例精通.电子工业出版社，2012（6）.[6]卢秉恒.机械制造技术基础.机械工业出版社,2007（12）.[7]刘加富、张洪才、亓俊红、任怀伟.基于ABAQUS的二维金属切削有限元分析.机械设计与制造.2006（10）.[8]DonLesuer.ExperimentalInvestigationsofMaterialModelsforTi-6AL4Vand2024-T3.1999(5).[9]Y.C.Zhang,T.Mabrouki,D.Nelias,Y.D.Gong.Chipformationinorthogonalcuttingconsideringinterfacelimitingshearstressanddamageevolutionbasedonfractureenergyapproach.FiniteElementsinAnalysis&Design,2011,Vol.47(7),pp.850-863.