ABAQUS二维切削不同有限元仿真过程及其不同角度的云图优化

-1-s一、模型建立基本理论1.1几何模型的建立高速切削45钢AISI1045的二维正交切削模型如图1.1-1所示，工件模型为长方形，尺寸为1mm×2mm，切削厚度为0.2mm。刀具做刚性处理，刀具前角为-10°，0°，10°，后角为5°。切削速度分别取1m/s，5m/s，8m/s（即60m/min，300m/min，480m/min）。工件为稳定性较好的简化积分四节点温度位移耦合减缩单元，工件侧边和底边被约束，且工件和刀具的边界温度为室温25℃。在三种刀具前角和切削速度的情况下共建立9种切削过程。图1.1-1正交切削模型（此例前角为+10°）1.2材料本构模型的分析与选用在切削过程中，工件在高温、大应变下发生弹塑性变形，被切削材料在刀具的作用下变成切屑时的时间很短，而且被切削层中各处的应变、应变速率和温度并不均匀分布且梯度变化很大。因此能反映出应变、应变速率、温度对材料的流动应力影响的本构方程，在切削仿真中极其关键。被切削工件材料从弹性变形到塑性变形，处于高温、大应变的条件下，最后被撕裂并脱离己加工表面形成切屑，整个切削过程是个非常复杂的非线性问题。考虑各种因素对工件材料硬化应力的影响，应用Johnson-cook等向强化模[4]。Johnson-Cook的数学表达式及相关参数含义可表示为nTTmAB1CLn10（2-1）10TmeltT0-2-式中:A、B、n、C、m是由材料自身决定的常数;Tmelt为材料的熔点;T0为室温;ε0为参考应变速率。等号右边第一部分表示应变ε对流动应力σ的影响，第二部分表示应变速率ε0对-3-流动应力σ的影响，而最后一部分表示温度T对流动应力σ的影响。45钢材料Johnson-Cook本构方程A、B、C、n参数值如下表1.2.1所示。表1.2.1本文采用的JOHNSON-COOK模型各参数本构常数A(Mpa)B(MPa)ncm融化温度过渡温度AISI10455464870.250.0270.6313502981.3材料的断裂准则对45钢材料进行高速的切削时，会出现锯齿形的切屑，因此需要使用材料断裂准则对其进行定义，而材料的性质决定了断裂准则。我们这里采用Johnson-Cook断裂准则，因为它综合考虑了应变、应变速率、应力及温度的影响，能较为准确地反映实际情况。本文采用Johnson-cook剪切失效模型基于单元分点的等效塑性变形，当材料失效参数D超过1时，材料发生网络失效，单元应力为0，实现切屑和已加工表面的分离。失效参数定义可表示为：plD（2-2）plf式中，pl为等效塑性应变增量；plplf为失效应变。其中，f由下式可得plddexpdp1dLnpl1dTT0（2-3）f12345q0TmeltT0本文采用文献[5]中AISI1045钢的损伤参数如下表1.3.1所示。表1.3.1AISI1045钢的损伤参数损伤参数D1D2D3D4D5AISI10450.10.761.570.005-0.84-4-二、有限元模型的建立过程采用Abaqus有限元软件模拟正交切削45钢AISI1045的稳态切削过程，在不同切削速度和刀具前角下仿真得到应力、应变和切削力曲线，其中切削速度分别为1m/s、5m/s、8m/s，刀具前角分别为-10°、0°、10°。以下是9种切削过程的切削和变形区内的应力图，应变图和切削力曲线。下面以刀具前角为10°，切削速度为8m/s为例模拟金属切削过程。本文采用的统一单位：N，Pa，m，s，K，J；软件版本：6.14-1中文破解版（下文简单操作指令仍使用英文，以便区分和理解）。（参考书籍[6-7]）2.1建模（1）新建模型启动Abaqus软件，新建并保存新的模型为cutting。（2）创建工件模型选择主菜单中的part选项，选择下拉菜单，单击create，在弹出的CreatePart对话框中，设定模型的名称为workpiece，在建模空间选项中选择2DPlanar．类型选择Deformable，基本特征选择Shell，近似尺寸选择0.005。点击Continue进入绘制草图步骤。在随后出现的草图绘制模块中，绘制一个1×2mm的矩形平面图，选择矩形的右上角为坐标原点，其工件模型最后结果如图2.1-1所示。点击Done完成上面的工件模型的绘制。图2.1-1工件模型草图-5-（3）创建刀具模型按照以上方法再次创建一个模型，模型的名称为dao，建模空间选项中选择2DPlanar．类型选择Analyticalrigid（解析刚体），近似尺寸选择0.005。点击Continue进入草绘，按照图2.1-2所示尺寸，绘制完后点击Done完成刀具模型的绘制。图2.1-2刀具模型草图选择主菜单中的Tools选项，选择下拉菜单，单击ReferencePoint，根据视图窗口左下角的提示，点击刀具模型的右上角顶点作为参考点，操作后在刀具模型右上角会出现RP字样。（4）创建网格部件部件绘制完成后，在Module下拉菜单中选择Mesh进入网格化模块。在网格划分之前先对工件结构分区，这样做的目的是切削工作区划分网格细一点，而远离工作区的则少布种，网格稀疏一点。在主菜单中选择Tools——Partition，然后会弹出CreatePartition对话框，类型选择Face，方法选择Sketch，进入草绘区，按照所示对工件完成结构分区，形成上下两个矩形块。在网格化之前必须对工件模型的各条边撒种子。在菜单栏中选择Seed，会弹出一系列撒种方式以及删除撒种的选项，选择为边布种。按种子数布种分别为上矩形短边20个，三条长边100个；下矩形短边按单精度布种，种子数25，偏移为5。如图2.1-3和2.1-4。-6-图2.1-3上矩形短边布种图2.1-4下矩形短边布种撒种完成后定义工件模型的网格形状控制参数。在菜单栏中选择Mesh，在弹出的选项中选择网格控制选项Controls，出现选择区域窗口。框选整个工件后点击Done确认。弹出的网格控制对话框如图2.1-5。元素形状选项选择Quad，技术选项卡选择Structured。其余选项默认，点击OK按钮完成上矩形的控制参数设置。-7-图2.1-5网格控制下一步是元素类型的设定。在菜单栏中选择Mesh，在下拉菜单中选择ElementType，同网格形状控制参数设置一样，先选择整个零件点击Done确认。弹出图2.1-6所示的对话框，单元库选择Explicit，在元素库中选择温度—位移藕合的元素族，几何阶次选择线性。元素控制选项卡中，分析选择平面应变，勾选二次计算精度，沙漏控制选项勾选Relaxstiffness（松弛刚度），其余设置为默认，点击OK按钮完成设定。图2.1-6单元类型-8-最后完成网格化操作。在菜单栏选择Mesh——Part，单击Yes完成网格化操作，网格化后的模型如图2.1-7所示。图2.1-7网格化模型（5）创建网格零件保持网格化之后的工件零件视图，点击菜单栏中的Mesh，在下拉菜单中选择CreateMeshPart，给网格刀具取一个名称workpiece-mesh，回车后在主窗口就生成了一个绿色的网格工件。2.2定义AISI1045的材料属性（1）定义工件的材料参数在Module下拉菜单中选择Property进入Property模块，在主菜单中选择Material—Create，创建一个新的材料，新材料取名为AISI1045，在General—Density选项中，在MassDensity（密度）输入7850。选择Mechanical—Elasticity——Elastic，在Data选项卡中，分别设置Young'sMod（杨氏模量）和Poisson'sRatio（泊松比）的值为205E9和0.29。选择Mechanical—Plastic，在Hardening选项中选择Johnson-Cook，本选项选择了代表金属材料塑性行为的本构方程，对于仿真结果的准确性有根本的影响，因此应根据实际情况合理选择本构形式。本人作者通过查阅相关文献得到如表1.2.1所示的J-C本构模型；断裂损伤选用Johnson-Cook损伤，参数如表1.3.1所示。按照表中所示的数据输入各项参数，这些参数设定了应变率对材料性能的影响。传导率为49.8，比热为486，线膨胀系数如表2.2.1。完成材料属性定义之后，点击OK完成材料属性的编辑，在点击Dismiss关闭材料编辑器对话框。-10-表2.2.1AISI1045线膨胀系数，K373473573（m/(106K）1.161.231.31（2）设置截面属性从主菜单中选择Section—Create，在CreateSection对话框中定义这个区域为Section-work，在Category选项中接受Solid，在Type选项中接受Homogeneous，点击Continue。在EditSection选项中选择金属材料AISI1045，勾选平面应力位变厚度并保持为1，点击OK完成此截面的设置。（3）赋予截面材质在主菜单中选择Assign——Section，出现区域选择的提示，框选视图中的整个网格零件并点击Done确认，出现EditSectionAssignment对话框如图2.2-1所示。默认所有选项，点击OK完成赋予截面材质的操作。网格工件的颜色变成蓝色表示对workpiece-mesh零件赋材质操作成功。图2.2-1赋予材料属性2.3模型的装配（1）调入工件与刀具在Module下拉菜单中选择Assembly进入Assembly模块，从主菜单中选择Instance—Create，在CreateInstance对话框中选中零件workpiece-mesh和dao，部件的预览图像就出现在主窗口中（如图2.3-1所示），点击Apply之后就调入了网格工件，装配体的坐标原点-11-默认为此网格零件的坐标原点。此后调入的零件原点默认与此零件原点位置重合。点击OK调入刀具零件，刀具的草图原点默认与工件的草图原点重合。图2.3-1添加装配（2）调整工件与刀具的相对位置从主菜单中选择Instance——Translate，在刀具零件上点击并点击提示栏的Done确认。接受默认的平移起点即坐标原点，回车之后输入终点坐标（0,-0.0002），点击回车，再点击提示栏的OK确认移动操作。装配完成之后的各零件相对位置如图2.3-2所示。图2.3-2装配完成的装配体-12-2.4定义分析和ALE自适应网格（1）定义分析步进入Step模块，从主菜单中选择Steps——Create，在CreateStep对话框中输入分析步名称为cutting，接受在初始分析步后插入本步，选择分析步类型为Dynamic，Explicit；点击Continue进入编辑分析步，如图2.4-1所示。设置Timeperiod为0.00015，默认几何非线性Nlgeom为打开状态，选择表示绝热效应的Includeadiabaticheatingeffects，接受其它选项为默认，点击OK完成编辑分析步。图2.4-1定义分析步（2）定义输出项Abaqus提供默认的输出项，因此先打开输出项管理器。在主菜单中选择Output——FieldOutputRequests——Manager，在弹出的场输出请求管理器中可以看到分析步cutting的输出已经由系统默认设定了。选中F-Output-1后点击Edit，将结果输出间隔数Interval默认的20修改为100，在OutputVariables选项中除了默认输出选项外将State/Field/Time选中，点击OK确认输出请求。定义HistoryOutputReque