大连理工大学切削力学大作业

切削力学大作业院系：机械工程学院专业：机械制造及其自动化班级：0904姓名：李铎学号：21404060基于ANSYS/LS-DYNA的TC4合金切削过程的有限元分析李铎(大连理工大学机械工程学院大连116033)摘要：TC4合金的切削加工是一个非常复杂的过程，传统的实验测量和理论分析方法具有极高的难度和较大误差。本文基于著名的通用显示动力分析工具ANSYS/LS-DYNA对TC4合金在不同前角角度、不同切削速度下进行仿真分析，得出各种加工条件下的切削形状、应力、应变分布情况及切削力曲线。该方法弥补了实验方法复杂的缺点，为金属切削原理的研究、金属加工工艺的设计提供了高效的方法和理论依据。关键词：金属切削，TC4合金，有限元，ANSYS/LS-DYNATheFiniteAnalysisoftheCuttingProcessofTC4AlloyBasedonANSYS/LS-DYNALIDuo(CollegeofMechanicalEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116033)Abstract：Metalcuttingisacomplicatedprocess.Experimentalmeasurementandtheoreticalanalysisoftraditionalmethodhavegreaterrors.ThispaperusedtheANSYS/LS-DYNAtosimulatethecuttingprocessofTC4alloyunderthevariousrakeangle,thevariouscuttingspeed.Investigatehowthestress,strainchanged.Andgetthecurvesofcuttingforce.Themethodproposed,asanancillarymeanstoshortenthetimeforthelengthyandtediousexperiments,willprovideaneffectivewayandtheoreticalreferenceforthestudyontheprincipleofmetalcuttinganddesignoftherelevanttechnologicalprocess.Keywords:metalcutting,CT4ally,finiteanalysismethod,ANSYS/LS-DYNA0前言钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属。TC4钛合金具有强度高，热强度好，耐腐蚀等特点，在国防工业中获得了最广泛的应用。因此对钛合金高速低耗切削加工研究日益增多。切削过程是一个复杂的工艺过程,它不但涉及到了弹性力学、塑性力学、断裂力学,而且还与摩擦学和热力学等相关,切削质量受到刀具形状、切削用量、切削热和刀具磨损等众多因素的影响。传统的金属切削过程研究一般是先选择工件材料、刀具及工艺参数，然后借助于一定的测试手段，来进行实际的切削实验。用这种传统方法进行研究，往往要做大量的重复性实验，耗时、耗力，实验成本高。近年来，随着计算机技术及软件技术的不断发展，使得采用有限元法来模拟切削加工过程成为可能。实践证明，该方法能够减少甚至消除反复实验次数，并且具有实时性，能够获取实验无法测量的数据，并对数据进行自动处理，弥补了传统法的缺点。本文利用世界上最著名的通用现实动力分析软件ANSYS/LS-DYNA对TC4合金的切削过程进行有限元仿真，充分考虑刀具及工件材料的物理学特性，进行了金属切削加工的二维有限元数值模拟，所采用的方法简洁、高效弥补了实验方法的不足，所得结论可为理论研究和工程应用提供指导。1有限元模拟本文分别对前角为8°、2°、-6°，切削速度为60m/min、180m/min、360m/min的情况进行了切削模拟，现选取道具前角为8°、切削速度为180m/min进行详细介绍。在本次有限元分析中，对刀具、工件及加工环境等做了如下假设：（1）简化实际问题为二维正交直角自由切削问题。（2）假设垂直于刀刃各截面内的变形状态在沿刀刃方向上是相同的。（3）假设刀具为刚体，不考虑其变形及与工件之间的热传递。（4）忽略工件材料在加工过程中由于温度变化而引起的金相组织变化及其他化学性能变化。（5）不考虑工件、刀具之间的振动。（6）假设室温为25°。1.1建立任务启动ANSYS/LS-DYNA14.5，设定工作目录。图1：工作目录及文件名设定1.2设定单元类型在ANSYS/LSDYNA中可以选择Lagrange和ALE两种算法。Lagrange方法用于固体分析,有限元网格由材料单元组成,所有的网格准确地描述了所分析物体的几何形状。这种方法在模拟材料的无约束流动时是很方便的,但是这种方法存在着切屑分离的模拟问题,还有切屑形成以后的网格重新划分的问题。ALE方法最初出现于数值模拟流体动力学问题的有限差分方法中,在切削加工中,切屑成形后的形状是不固定的，因此本文选用ALE方法作为模拟算法[]。定义单元类型为2DSolid162类型。选择算法为ALE算法。如图2和图3所示。图2：定义单元类型图3：选择ALE算法1.3材料模型当前对于TC4合金的材料模型研究主要可分为两种：Johnson-Cook材料模型和塑性随动材料模型。由南京航空航天大学的刘旭阳所给出的两种动态本构关系对TC4钛合金动态拉伸试验曲线的计算结果。从图4中可以看出随动塑性材料模型计算曲线与TC4试验曲线的总体吻合程度比较好，而Johnson-Cook材料模型较差。这种偏差是由材料模型本身的特点决定的。Johnson-Cook材料模型在描述材料动态行为过程中，认为材料的流动应力随着应变的增加而增加，但TC4试验曲线接近于理想弹塑性材料，流动应力随着应变的增加略有减小，模型预测值和试验数据的变化趋势是相互背离的。图4：各应变率下试验曲线与计算曲线的比较所以本文选用对TC4钛合金描述能力更好的塑性随动材料模型。TC4钛合金的塑性随动材料模型为。10e[1()](e)PPPXUEXC其中：tantanPEEEEE式中：e——有效应力XP——有效塑性应变e0——初始屈服应力X——应变率C、P——应变率参数U——应变硬化参数Etan——切向模量EP——塑性硬化模量E——弹性模量由于刀具的硬度远大于工件的硬度，故将刀具假定为刚体。刀具与材料的材料模型参数设定如图5、图6所示。图5：刀具材料设定图6：工件材料设定1.4模型建立建立如图所示的二维切削模型，工件为长为2mm、宽为1mm的长方形,刀具前角8°、后角6°，切削厚度为0.2mm。图7：建立二维模型1.5网格划分有限元方法理论上网格划分的越密集，越有利于提高计算精度和模拟动画的质量。但是由于ANSYS/LS-DYNA中如果网格过密可能引起负体积及时间步长出现错误的问题，经反复实验，划分为如图8所示的四边形网格，将刀具划分为单体网格，选用单元模型1、材料1。工件选用单元1、材料2。图8：网格划分结果1.6切屑分离金属切屑的形成过程会在局部切削区域内工件材料必将发生大变形，这种大变形会使得与工件结构重合的有限元网格产生严重畸变，导致求解精度降低，甚至无法继续求解[]。因此，采取自适应网格方法解决该问题。自适应网格方法是指在计算中，在某些变化较为剧烈的区域，如大变形、激波面、接触间断面和滑移面等，网格在迭代过程中不断调节，将网格细化，做到网格点分布与物理解的耦合，从而提高解的精度与分辨率的一种技术。本文在最后生成的关键字文件K文件中，通过修改*PART关键字及添加*CONTROL_ADAPTIVE关键字，设定自适应网格划分的时间间隔，每经过这段时间，网格开始重新划分，将原来网格中的状态变量映射到新划分的网格上，这样就避免了因网格发生畸变产生负体积而导致求解困难的问题，从而使得切屑能够从工件上分离出来。1.7定义PART按照单元类型、材料模型将刀具和工件分别定义为两个part，为施加载荷与约束做准备。图9：定义PART1.8设置接触、载荷-时间变化曲线选择单面2D接触类型，定义动摩擦因数为0.2，静摩擦因数为0.1。定义时间变量、载荷变量，使载荷为时间变量的常函数，即实现刀具以3m/s（180m/min）进行匀速切削。图10：设置接触类型和摩擦因数图11：定义时间变量图12：定义速度变量1.9施加载荷与约束利用按坐标范围选取节点的方式依次取工件左侧边界所有节点和底边所有节点，对于所选取的节点施加完全固定，约束其所有自由度，以模拟在实际加工中机床夹具对工件的加持，符合实际情况，约束示意图如图13所示。图13：施加约束将刚才定义好的两条载荷曲线以对刚体施加载荷的方式施加在part1（刀具）上，实现刀具的匀速切削。图14：施加载荷至此，完成了在ANSYS中对该切削仿真模型的前处理的所有步骤，接下来，进行求解设置。1.10求解设置图15：能量设置图16：体积粘性及时间步长设置图17：求解时间设置1.11求解设置输出步数为80，输出点数为1000，完成求解设置之后，选择生成关键字文件，通过LS-DYNASolver求解器调入生成的K文件进行求解，使用内存12G的计算机，求解时间大概15min左右。求解完成后，在LS-DYNA专用的LS-PrePost后处理器中查看结果文件并进行相关应力、应变、切削力分析。图18：生成关键字文件图19：LS-DYNA求解器进行求解2刀具前角8°、切削速度180m/min下仿真结果分析2.1切屑形成过程分别截取0.0007s，0.0027s，0.0035s，0.0058时刻的动画图片，观看在前角为8°、切削速度为180m/min的加工条件下吗，TC4钛合金的切屑形成过程，以及等效应力的大致变化过程。图20：切屑的形成过程TC4钛合金在此切削条件下进行切削时，得到的切屑介于带状切屑和锯齿形切屑之间。由图20可以看出切屑形成的完整过程。工件材料受到刀具的作用以后，最开始产生的是弹性变形。随着刀具继续切入，工件材料内部的应力、应变继续增大，当应力达到材料的屈服应力时，产生塑形变形。当刀具继续前进，应力进而达到材料的断裂强度，工件上多余的金属层，在刀具切削刃的切割、前刀面的挤压作用下，产生滑移变形而形成切屑。故可以将整个切削过程分为三个阶段：（1）塑性变形阶段：刀尖和工件接触并挤压工件，使切削层发生塑性变形。（2）剪切滑移阶段：切削层受到刀具的挤压进一步加剧，当工件材料单元达到失效准则时，该单元从网格中删除，切削层和工件发生分离，材料沿切削刃向上滑移。（3）切屑形成阶段：滑移出的材料不断流出，并在刀具的挤压下产生塑性变形形成切屑。由于ANSYS/LS-DYNA仿真软件本身处理网格、形成动画带有一定的局限性，及所设置的材料模型及材料参数有些许差别，故得到的切屑形状并非是理想的完全锯齿形切屑，但是在允许范围之内，不影响应力、应变、接触力的分析结果。2.2应力、应变分布截取0.0049时刻的等效应力云图与应变为图21进行分析。图21：应变与应力云图由图21可知，切削过程中有严重的应力、应变集中现象。应力主要分布在第一变形区，最大应力的位置出现在刀尖与工件接触处附近，由左图可以看出，在切削的第一变形区，由于刀尖附近的工件材料软化，导致第一变形区承载能力下降，形成了应力集中的区域。而应变主要分布在绝热剪切带处以及切屑与前刀面接触处，除此之外的区域的应变很小，工件材料处于滑移状态，这与实际切削过程是吻合的。2.3切削力—时间变化曲线利用LS-PrePost后处理器其中的PlotWindow窗口可以绘制出准确并且精美的曲线，其可以提取History中的数据信息，比如力、应力、应变、位移、速度等随时间变化的关系。但是由于我们选择的接触类型为单面2D接触，其本身并无法记录并输出力的数据，故修改K文件关键字，通过添加*DATABASE_RCFORC关键字和*CONTACT_FORCE_TRNSDUCER_PENALTY关键字来定义接触序号等信息，