制约切削加工模拟精度的关键技术还有待于进一步研究。
2016-02-28
存在的问题： （1） 对于金属的切削加工过程有限元模拟，绝大多数在建立有限元模型时设立分离线， 人为地将切屑与工件基体分开，其实这是不符合实际情况。 （2） 现在对于金属切削加工的有限元模拟大多数建立正交切削模型，而实际中刀具和工 件的移动并不总是正交的，因此就要求进一步完善有限元模型，使其更适合于更多的切 削过程的模拟。 （3） 为了数值模拟的进行，提出了各种假设，以用来简化复杂的切削过程，也就是简化 了许多条件，但各种简化的因素是会对金属切削过程产生一定的影响的，这就要求人们 进一步加深对金属切削基本原理的理解，从而使得各种因素量化，进而更真实地进行切 削加工的模拟研究，用以指导实际生产。 （4） 在金属切削加工切屑形成过程的模拟中会使用切屑分离准则，但是目前还没有一个 通用的分离准则，并且所用的切屑分离准则技术还不成熟，这就要求人们进一步的研究。
常见的网格畸变不如意之处。
• 金属的切削过程是一个大变形、高应变率的热力耦合过程，正适 合采用ALE方法。
优点：
• 采用ALE方法进行切削模拟克服了拉格朗日方法和欧拉方法需要 预先定义分离线、切屑和工件分离准则，假定切屑形状等缺点，
避免了网格畸变以及网格再划分等问题，使切屑和工件保持良好
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Lagrange法模拟可以从切削的初始状态一直到稳定 状态，能够预测切屑的形状和残余应力的分布等。 但是这种方法需要用到切屑分离准则。
Eule方法更适合在一个可以控制的体积内描述流体的变形，这 种方法中的有限元网格描述的是空间域而且覆盖了可控制的体 积。其多用来模拟固体的塑性大变形问题。
Euler方法模拟的是在切削达到稳定状态后进行的，因此 不需要切屑分离准则，但要预先知道切屑的形状。
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刀具和工件
5、赋予部件属性
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6、划分网格
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刀具工件网格划分示意图
7、设置计算时间 8 指定K文件类型
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9、设置输出步 10、输出K文件
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切削模拟方法及软件介绍
Lagrange
Euler
ALE
MD
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SPH
• 常用的有Lagrange方法和Euler方法。Lagrange方法在实际切削仿真过程中应用 较为广泛。
Lagrange方法
Euler方法
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是分析固体的方法，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。这些网格紧紧附在 材料上，而且随着工件的变形变化。这种方法在模拟材料的 无约束流动时是很方便的，因为在分析过程中，有限元网格 精确的描述了材料的变形情况。
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切削实例展示
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the chip thickness with different friction coefficient
tc 0.051cm
0
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tc 0.055cm
0.17
tc 0.063cm
0.34
后用来计算粒子关键的质量属性。 1.5 光滑尺寸计算
虽然一个颗粒单元用一个节点来定义，SPH方法要在影响区域内计算相邻颗粒间的 相互作用。这个影响区域的半径就是光滑尺寸。默认的，光滑尺寸是自己计算的。
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1.6 光滑粒子流体动力学区域 在分析开始时，会计算出一个矩形的区域，在边界内，粒子将被追踪。
ALE（Arbitrary Lagrange-Euler ）方法
提出：
• Noh和Hirt在研究有限差分法时提出的，后来又被Hughes，liu和 Belytschko等人引入到有限元分析中来。
• 计算网格不再固定，也不依附于流体质点，而是可以相对于坐标
基本思想：
系做任意运动。由于这种描述既包含Lagrange的观点，可应用于 带自由液面的流动，也包括了Euler观点，克服了纯Lagrange方法
的接触，使计算易于收敛。
Lagrange Euler
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• Lagrange网格：基于Lagrangian方法
网格在材料里面
外面空间 不需要网格
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• Euler网格：基于Eulerian方法
网格固定在空间，材料 在网格中流动
外面空间需要空物 质网格
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要定义节点和单元，只需要使用一系列的点来代替。在SPH方法中，这些节点一般被认 为是颗粒或伪颗粒。
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1.2 材料定义 任何在ABAQUS/Explicit中可以使用的材料模型都可以在SPH方法中使用。
1.3 单元类型 PC3D单元
1.4 计算粒子体积 没有自动计算粒子体积的方法。因此需要通过一个特征尺寸来计算粒子的体积，然
二维钛合金切削有限元模拟
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LS-DYNA商用仿真软件有限元模型建立
1、进入LS-DYNA界面，点击RUN,启动LS-DYNA
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2、定义单元类型，SHELL 163, 采用APDL语言 ET,1,SHELL 163
3、定义材料属性
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势； • SPH在处理高速/超高速碰撞和混凝土
材料的破坏时非常有效。
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SPH 模型生成方法
• 几何模型； • 材料和粒子。
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SPH 2D模型生成方法
• SPH 2D生成方式： – Box – Circle – Manual
201166--0022--2288
SPH 2D模型生成方法
随着大存储量快速处理器的产生与发展，在模拟方面的限制及在计算方面的 一些难题均得到了有效解决，越来越多的商用有限元软件被开发应用于切削加工 模拟。 常用的有以下几种：
ABAQUSTM
常用软件
LSDYNATM MARCTM
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DEFORM 2DTM ADVANTAGETM
• 常用有限元软件主要包含以下几个模块
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SPH的基本思想
SPH的基本思想是将连续的流体(或固体)用相互作用的质点组来描述，各个物质点上 承载各种物理量，包括质量、速度等，通过求解质点组的动力学方程和跟踪每个质点 的运动轨道求得整个系统的力学行为。
FEM
SPH
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ABAQUS中SPH方法介绍
1.1 概述 光滑粒子流体动力学（SPH）是一种无网格的数值计算方法，使用这种方法，不需
在分析过程中，如果粒子飞出了区域，它将不再参与计算，而变成一个自 由飞行的质量点。如果粒子在后面的过程中，重新飞进区域，它又将参与 计算。 1.7 相互作用
SPH 粒子能和Lagrange, Shell 和ALE parts 通过定义接触来实现相 互作用。 1.8 输出
PC3D单元的输出变量包括所用连续单元相关的力学输出变量：应力、 应变、能量、状态变量、场以及用户自定义的变量。节点变量的输出包括 所有在ABAQUS/Explicit分析中使用的变量。 1.9 限制 （1）如果分析过程中变形不剧烈，单元不扭曲，SPH方法不如Lagrange 有限元方法准确。 （2）面载荷不能定义在PC3D单元上。 （3）目前ABAQUS/CAE不支持。可以使用相关的程序，来将C3D8R等单 元转化为粒子单元。
Influence of the friction coefficient on cutting force
Force (N)
300 250 200 150 100
50 0 0
f=0 f=0.17 f=0.34
100
200
300
400
500
600
Time (us)
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Influence of the cutting velocity on strain rate
通常包含的模块
建立几何模型
建立要分析作业的2D或3D几何模型
定义材料属性
定义材料弹塑性属性、本构方程
划分网格
非常关键，影响结果精度和计算规模
定义分析步
选择求解器，定义时间，选择所需输出结果
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定义边界条件 定义接触
提交分析作业 后处理模块
定义初始几何条件、初始温度、切削速度 定义切削时会发生的接触属性 创建作业并提交分析 输出云图，分析结果
目录 切削过程有限元模拟的发展现状 切削模拟方法及软件介绍 无网格法(SPH）介绍
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切削过程有限元模拟的发展现状
切屑分离准则
分离线
简化模型
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切削模拟
对切削加工数值模拟的研究目前主要集中在以下几个方面： (1) 一般的材料去除与切削过程的研究; (2) 特殊加工过程的计算机模型的研究; (3) 切削过程的几何与过程参数的研究; (4) 加工过程中的热研究; (5) 加工过程中残余应力的研究; (6) 加工机床的动力学研究与控制; (7) 机床磨损与误差的研究; (8) 切屑形成机理的研究; (9) 最优化与其他主题的研究。
1、研究流动问题时，由于网格的存在，网格质量的好坏会直接影响到数 值求解的成败。 2、网格的生成成为数值模拟中一个重要环节，花费的时间在整个问题求 解过程中占很大比例。 3、超高速碰撞问题中，物质发生大变形使网格发生畸变，轻则严重影响 了单元的近似精度，重则使坐标变换中的Jocobian行列式的值等于零或者 负数，从而使计算中止或者引起严重的局部误差。