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1、ABAQUS技术报告汇总铝合金7050-T7451切削加工有限元模拟0 引言金属切削加工有限元模拟，是一个非常复杂的过程。这是因为实际生产中，影响加工精度、表面质量的因素很多，诸如:刀具的儿何参数、装夹条件、切削参数、切削路径等。这些因素使模拟过程中相关技术的处理具有较高的难度。本文建立的金属正交切削加工热力耦合有限元模型是基于以下的假设条件：（1）刀具是刚体且锋利，只考虑刀具的温度传导;（2）忽略加工过程中，由于温度变化引起的金相组织及其它的化学变化;（3）被加工对象的材料是各向同性的；（4）不考虑刀具、工件的振动；切削过程涉及到弹性力学，塑性力学以及损伤力学等相关学科领域，初学者在使用AB

2、AQUS做切削分析时，很难对材料属性（material property）的施加。即使是方法正确、操作正确，也得不到比较满意的结果。材料参数的选择，好的失效准则的使用，都可能使结果发生很大的偏差。1.1 建立部件（本文采用的统一单位：N, MPa, mm, s, C, J 软件版本：6.10-1） 注意单位问题，ABAQUS中保证单位链封闭就行。启动ABAQUS，选择环境栏Module中的Part选项，单击工具区的Creat Prat选项1.1.1 创建工件3D模型在弹出的对话画框中，Name栏输入workpiece，Approximate size栏输入50，其余默认，单击Continue，

3、弹出创建部件对话框。 在随后出现的草图中，绘制一个长4mm，宽2mm的矩形。单击鼠标中键，弹出Edit Base Extrusion对话框，在Depth栏中填入2，单击OK，工件模型建立完成，如图1、2。 图 1工件草图 图 2工件成型图1.1.2 创建刀具3D模型单击工具区Creat Prat选项，在弹出的对话画框中，Name栏输入tool，Approximate size栏输入50，其余默认，单击Continue，弹出创建部件对话框在随后出现的草图中，绘制如图所示刀具草图，刀具前角为10，后角为6。单击鼠标中键，弹出Edit Base Extrusion对话框，在Depth栏中填入3，单击

4、OK，刀具模型便建立完成。如图3、4 图 3 刀具草图 图 4刀具成型图1.2 赋予工件刀具材料属性1.2.1 定义各零部件的材料参数选择环境栏Module中的Property选项，单击工具区的Creat Material选项创建新材料。新材料取名为workpiece_m，在GeneralDensity选项中，输入Mass Density（密度）2.83e-09，如图5所示。选择MechanicalElasticityElastic，在Data选项卡中，分别设置Young s Mod（杨氏模量）和Poissons Ratio（泊松比）的值为71700和 0.3，如图6、7所示。 图5 设置材料

5、密度 图6 设置材料弹性模量图7 填写材料弹性模量材料的本构关系材料本构模型用来描述材料的力学性质，表征材料变形过程中的动态响应。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。Johnson-Cook模型用来模拟在冲击载荷作用下的变形，Johnson-Cook强化模型(JC)表示为三项的乘积，分别反映了应变硬化，应变率硬化和温度软化。这里使用JC模型的修正形式： (1-1)式中：为累积塑性应变

6、，为累积塑性应变率，为基准塑性应变率，为温度，为室温, 为材料的熔点, 、和为材料属性。选择MechanicalPlastic，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。按照图5所示的数据行输入各项参数。图8 Johnson-Cook模型参数点击图8中的Sub options按钮，如图9所示，在弹出的下拉菜单中选择Rate Dependent，同样在Hardening选项中选择Johnson-Cook,输入C的值0.019 , Epsilon dot zero的值1，

7、如图10所示，这些参数设定了应变率对材料性能的影响。图9 Rate Dependent的选择图10 参数的设置再选择Mechanical Expansion(线膨胀系数)，在数据栏中输入1.2e-08，如图11所示。选择ThermalConductivity，在相应的Conductivity（热传导率）数据栏中输入157，如图12所示，选择ThermalInelastic Heat Fraction，（*Inelastic Heat Fraction，即 inelastic energy dissipation as a heat source）在相应的Fraction数据栏中输入0. 9，如

8、图13所示，选择Thermal specific-Heat（比热容），在相应的数据栏中输入8.6e+08，如图14所示。图11线膨胀系数参数的设置图12 热传导率参数的设置 图13 Inelastic Heat Fraction参数的设置图14 比热容参数的设置材料的失效准则就损伤力学的理论而言，破坏有两种简单的形式：一种是拉破坏，一种是剪破坏。 abaqus中的SHEAR FAILURE用以表征剪破坏，而剪破坏大多发生在塑性材料； TENSILE FAILURE用以表征拉破坏，拉破坏大多发生在脆性材料。切削使用SHEAR FAILURE剪切失效，当材料达到设置的剪切失效准则，失效单元将被移除

9、。本例使用Ductile Damage定义材料损伤失效。选择MechanicalDamage for Ductile MetalsDuctile Damage填入数据如图15所示。图 15 Ductile Damage参数设置再点击Suboptions按钮打开Damage Evolution选项，在Displacement at Failure一栏中输入10，其它选项默认并点击OK确定。选择MechanicalDamage for Ductile MetalsShear Damage（破坏机制的选择就是当网格变形到什么程度就认为开裂），输入数据如图16所示。图 16 剪切变形参数设置点击OK，

10、完成工件材料的参数设定。1.2.2 定义刀具材料参数单击工具区的Creat Material选项创建新材料。新材料取名为tool_m，在GeneralDensity选项中，输入Mass Density（密度）1.5e-08。选择MechanicalElasticityElastic，在Data选项卡中，分别设置Youngs Modulus, Poissons Ratio的值为800000和0. 3。选择Mechanical中Expansion，在Expansion Coeff alpha中输入4.7e-08，选择Thermal Conductivity，在Conductivity中输入20.8

11、，选择ThermalSpecific Heat，在Specific Heat中输入4.45e+08，点击OK确认操作，完成刀具材料参数设定，上面的设置分别如图17、18、19、20、21所示。 图17 刀具密度设置 图18 刀具弹性模量设置 图19 刀具线膨胀系数设置 图20 刀具传导率设置图21 刀具比热设置1.2.3 设置截面属性单击Create Section选项，在弹出对话框中定义这个区域为workpiece，在Category选项中接受Solid，在Type选项中接受Homogeneous，点击Continue，如图22在Edit Section选项中选择workpiece_m ,平

12、面应力位变厚度采用默认值，点击OK完成此截面的设置，如图23 图 22 创建截面对话框 图 23 编辑截面对话框用以上同样的方法创建一个新的截面名称为tool，唯一不同的设置是在Edit Section选项中选择金属材料tool_m。点击OK完成此截面的设置。此时在工具区中单击Section Manager打开截面管理器，看到所设置截面如图24图 24 截面管理器1.2.4 赋予截面材质点击Part一栏的下拉按钮，选择workpiece将工件模型调入视图区。在主菜单中选择Assign Section，选择工件并单击Done确认，出现Edit Section Assignment对话框，如图25

13、。在选项卡Section中点击下拉按钮选择截面workpiece_m，点击OK完成赋予截面材质的操作。工件颜色变成绿色表示对工件赋材质操作成功。图 25 赋予截面属性对话框点击Part一栏的下拉按钮，选择tool将刀具模型调入视图区。用同样方法赋予刀具材料属性，不同之处在于在Edit Section Assignment对话框中的选项卡Section里选择tool，如图26。图 26 截面属性编辑器对话框1.3 装配模型 选择环境栏Module中的Assembly选项，单击工具区的instance part，弹出Creat Instance对话框，按住Shift选择tool与workpiece

14、，单击OK，则工件与刀具模型被调入视图区。单击工具区Translate Instance选项，并用鼠标左键选择刀具模型，此时刀具模型边框呈红色，单击Done，然后依次选择工件左下方的角点与右上方的角点，则刀具模型移至如图27所示位置，单击提示区OK键。再次单击工具区Translate Instance选项，仍旧选取刀具模型，并点击提示区Done，起始点位置采用默认值，结束点位置输入0.2，-0.12，-0.5，单击鼠标中键确定，则刀具移至如图28所示预期位置。 图27 装配效果图 图 28 装配效果图1.4 定义分析步与定义输出 (分析步就是定义工程上所谓的工步,定义输出就是看切削力和其他受力

15、情况)1.4.1 定义分析步进入Step模块，从工具区中选择Create Steps，在Create Step对话框中输入分析步名称为Cutting，接受在初始分析步之后插入本步，选择分析步类型为Dynamic, Temp-disp, Explicit；点击Continue进入编辑分析步设置Time period为5e-4 (坯料长度除以刀具速度得到的)，默认几何非线性Nlgeom为打开状态，接受其它选项为默认，点击OK完成编辑分析步。如图29、30图 29分析步编辑对话框图 30 分析步管理器1.4.2 定义Field OutputAbaqus提供默认的输出项，因此单击工具区Field Ou

16、tput Manager打开输出项管理器。选中F- Output-1后点击Edit，在出现的场输出请求编辑界面里，将Output Variables里的选项按图31进行设置，之后点击OK确认输出请求。图 31 Field Output编辑1.4.3 定义History Output（此项内容需在接触属性设置完成后再返回来进行修改）单击工具区History Output Manager打开输出项管理器。选中H- Output-1后点击Edit，弹出的场输出请求编辑界面，从Domain右边的下拉菜单中选择Interaction，并将Output Variables里的选项按图32进行设置，之后点击

17、OK确认输出请求。图 32 History Output编辑1.5 有限元网格划分1.5.1 工件网格划分选择环境栏Module中的Mesh选项，此时Object默认为Assembly，改为Part，并在下拉菜单中选择workpiece，工件模型便被调入视图区，单击Apply Front View改为正视图。1.5.1.1剖分工件为减少运算量，需将工件化为两部分。切削部分网格密度小，可保证运算精度，非切削部分网格密度大，不影响结果精度，并可提高运算速度。单击工具区Creat partion，在弹出对话框中选择Enter Parameter，然后选择视图区矩形左边线，单击Done，在提示区输入0

18、.8，如图33单击工具区Partion Cell:Define Cutting Plane，在提示区单击Point&Normal键，选取刚创立的剖分点，并选取方向，点击鼠标中键，则工件剖分完成，如图34所示。图 33 创建剖分点 图 34 剖分效果图1.5.1.2总体撒种单击工具区Seed Part键，弹出Global Seeds对话框，在Approximate global size中填入0.30，单击OK，则总体撒种完成，如图35所示。 图 35总体撒种设置 图 36 撒种完成效果图1.5.1.3局部细化撒种单击工具区Seed Edges进行局部细化撒种。按住Shift依次选取上部长方体的

19、四条长，单击提示区Done，弹出Local Seeds对话框，其中Method选择By number，并在Number of elements里输入40，单击OK，则长方体四条长边细化完成。按照同样方法细化上部长方体的四条宽和高，只不过细化宽时在Number of elements里输入20，细化高时在Number of elements里输入10。撒种完成后工件如图36所示。1.5.1.4设置网格属性接下来需要设置网格属性。单击工具区Assign Element Type，框选整个工件模型，单击Done，弹出Element Type对话框。其中Element Library里勾选Explic

20、it选项；Family里勾选Coupled Temperature-Displacement选项；Hex选项中勾选 Reduced integration ，在Second-order accuracy里勾选Yes，Distortion control 里勾选Yes,并将Length ratio改为0.8，其余默认，如图37所示。单击OK，则工件网格属性设置完成。图 37 网格属性设置1.5.1.5划分网格单击工件区Mesh Part，并单击提示区Yes键，则工件网格划分成功，如图38所示图 38 网格划分效果图1.5.2 刀具网格划分在Part下拉菜单中选择tool，则刀具模型被调入视图区。

21、1.5.2.1总体撒种单击工具区Seed Part键，在弹出的Global Seeds对话框中的Approximate global size里填入0.1，单击OK后，刀具撒种完成。1.5.2.2设置网格形状由于刀具非对称体，一般将其网格形状设为三角形。单击Assign Mesh Controls，弹出Mesh Control对话框，在Mesh Shape里勾选Tex，其余默认，如图39所示，单击OK完成网格形状设置。图 39 网格形状编辑1.5.2.3设置网格属性单击工具区Assign Element Type，弹出Element Type对话框。其中Element Library里勾选Ex

22、plicit选项；Family里勾选 Coupled Temperature-Displacement选项，其余默认，如图40所示，单击OK，刀具网格属性设置完成。图 40 网格属性设置1.5.2.4划分网格单击工件区Mesh Part，并单击提示区Yes键，则工件网格划分成功，如图41所示图 41 网格划分效果图1.6 设置节点1.6.1 设置刀具温度节点选择ToolsSetCreat，弹出Creat Set对话框，命名为tool_temp，Type类型选为Node，单击continue，框选整个刀具模型，如图42所示，单击鼠标中键，则节点tool_temp设置成功1.6.2 设置工件温度节

23、点 选择ToolsSetCreat，弹出Creat Set对话框，命名为wp_temp，Type类型选为Node，单击continue，框选工件所有部分，如图43，单击鼠标中键，则节点wp_temp设置成功图 42 刀具温度节点选取 图 43 工件温度节点选取1.6.3 设置工件刀具切削接触节点在Part下拉菜单中选择workpiece，则工件模型被调入视图区，选择ToolsSetCreat，弹出Creat Set对话框，命名为wp_interaction，Type类型选为Node，单击continue，框选工件上部分，如图44所示，单击鼠标中键，则节点wp_interaction设置成功。图

24、44 切削结触节点选取1.7 定义接触性质1.7.1 创建接触属性单击工具区Creat Interaction Property，在弹出的对话框中Type选项里选择Contact，如图所示45所示。图 45 创建接触属性单击Continue打开接触属性编辑器，选择MechanicalTangential Behavior，从Friction formulation下拉菜单中选择Penalty，在Friction Coeff中填入0.5，如图46所示.图 46 接触属性编辑选择MechanicalNormal Behavior，默认选项，如图47所示图 47 接触属性编辑切削热的传导在金属切削过

25、程中，产生的切削热主要是由于金属材料产生弹塑性变形、以及刀具和切屑之间摩擦作用产生的。工件材料发生弹塑性变形后产生热量，从而使得切削温度升高，反过来又使得材料的物理性能发生变化，物理性能变化后金属的变形也会发生变化。与此同时，工件材料的切削温度大小主要依赖于材料的变形程度。工件接触表面上的质点与工具间存在着相对滑动，且由于摩擦力的作用，摩擦生热并通过该接触表面作用于工件。接触面上的摩擦生热可表示为 （3-20）式中，为摩擦热通量，为摩擦应力，为相对滑动速度。切削过程中产生的摩擦热量分别传入刀具和切屑，在计算时认为在界面处热量的传导是均衡的，即传入刀具50%的摩擦热，传入切屑的摩擦热也为50%。

26、选择ThermalHeat Generation，选0.9和0.5。单击OK，接触属性设置完成。如图48所示。图48 热传递设置1.7.2 创建接触1.7.2.1创建切屑-工件接触约束为防止模拟过程中切屑从工件中穿出来，需对工件进行接触约束。单击工具区Creat Interaction，在弹出的对话框中选择General Contact(Explicit)，单击Continue，弹出如图49所示对话框，在Global property assignment的下拉菜单中中选择之前创建的IntProp-1，其余默认，单击OK，则切屑接触约束属性创建完成，如图50所示。 图 49创建接触 图 50编

27、辑接触1.7.2.2创建刀具与工件接触约束单击工具区Creat Interaction，在弹出的对话框中选择Surface-to-surface Contact(Explicit)，如图51所示，单击Continue进入设置过程。图 51 创建接触框选视图区刀具模型，然后点击Done键，提示区弹出Choose the second surface type选项，选择Node Region，如图52所示图 52 提示区选项接着选择sets，如图53图 53 提示区选项弹出Region Selection对话框，选择之前创建的wp_interaction节点，如图54所示图 54 选取节点单击Co

28、ntinue，弹出接触编辑对话框，采用默认设置，点击OK，则切削接触属性设置完成，如图55所示图 55切削接触创建完成效果图 图 56参考点选取完成效果图1.7.3 将刀具定义为刚体定义刚体首先需要创建参考点，选择工具栏ToolsReference Point，选取刀具上任一点后单击鼠标中键，则参考点设置完成，如图56单击工具区Creat Constraint，弹出相应的对话框，Type类型选择Rigid body，如图57所示图 57创建刚体单击Continue进入编辑器，Region type选择Body(element)选项后，点击右边Edit键，选择视图区刀具模型，如图58所示，并点击

29、提示区Done键，Region type选取完成。之后点击Reference Point里Point右边的Edit键，选取刚刚创建的参考点RP-1，如图59 所示，单击OK，刀具则被约束为刚体。图 58选取刀具图 59 选取参考点1.8 定义边界条件和载荷1.8.1 定义工件自由度单击工具区Creat Boundary Condition，在弹出的编辑器里将Step改为Initial，在Category里选择Mechanical，在Types for Selected Step里选择Symmetry/Antisymmetry/Encastre，如图60所示。图 60 创建边界条件单击Conti

30、nue，选择工件底面，并点击鼠标中键，在弹出的对话框中选择ENCASTRE(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0)，如图61所示图 61 定义工件自由度单击OK，工件边界条件设置完成，如图62。图 62 定义自由度完成效果图1.8.2 定义刀具速度单击工具区Creat Boundary Condition，在弹出的编辑器里将Step改为Cutting，在Category里选择Mechanical，在Types for Selected Step里选择Velocity/Angular velocity，如图63所示图 63 定义刀具速度单击Continue，选择参考点RP-1，单击提示区

31、Done键，在弹出的对话框里将V1设置为-10000，其余为0，如图64和65所示。单击OK完成设置，则刀具被赋予速度。 图 64 定义速度参数 图 65速度定义完成效果图1.8.3 定义温度边界条件1.8.3.1设置工件初始温度单击工具区Creat Predefine Field，在弹出的编辑器里将Step改为Initial，在Category里选择Other，在Types for Selected Step里选择Temperature，如图66.图 66创建温度约束 图 67 工件温度节点选取单击Continue，点击提示区的Sets键，在弹出的对话框里选择之前创建的wp_temp节点，如图67单击Continue，弹出温度编辑器，在Magnitude里输入20，单击OK，则工件初始温度设置完成，如图所示68和69所示。图 68 定义初始温度 图 69工件温度定义完成效果图1.8.3.2