ABAQUS技术报告汇总.docx

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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ABAQUS做切削分析时，很难对材料属性（materialproperty）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,ºC,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CreatPrat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，Approximatesize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，绘制一个长4mm，宽2mm的矩形。

单击鼠标中键，弹出EditBaseExtrusion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CreatPrat选项，在弹出的对话画框中，Name栏输入tool，Approximatesize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EditBaseExtrusion对话框，在Depth栏中填入3，单击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CreatMaterial选项创建新材料。

新材料取名为workpiece_m，在General→Density选项中，输入MassDensity（密度）2.83e-09，如图5所示。

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71700和0.3，如图6、7所示。

图5设置材料密度图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，

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Mechanical→Plastic，在Hardening选项中选择JohnsonCook，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8Johnson-Cook模型参数

点击图8中的Suboptions按钮，如图9所示，在弹出的下拉菜单中选择RateDependent，同样在Hardening选项中选择Johnson-Cook,输入C的值0.019,Epsilondotzero的值1，如图10所示，这些参数设定了应变率对材料性能的影响。

图9RateDependent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Thermal→Conductivity，在相应的Conductivity（热传导率）数据栏中输入157，如图12所示，选择Thermal→InelasticHeatFraction，（*InelasticHeatFraction，即inelasticenergydissipationasaheatsource）在相应的Fraction数据栏中输入0.9，如图13所示，选择Thermalspecific-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13InelasticHeatFraction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SHEARFAILURE用以表征剪破坏，而剪破坏大多发生在塑性材料；TENSILEFAILURE用以表征拉破坏，拉破坏大多发生在脆性材料。

切削使用SHEARFAILURE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。

本例使用DuctileDamage定义材料损伤失效。

选择Mechanical→DamageforDuctileMetals→DuctileDamage填入数据如图15所示。

图15DuctileDamage参数设置

再点击Suboptions按钮打开DamageEvolution选项，在DisplacementatFailure一栏中输入10，其它选项默认并点击OK确定。

选择Mechanical→DamageforDuctileMetals→ShearDamage（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，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CreatMaterial选项创建新材料。

新材料取名为tool_m，在General→Density选项中，输入MassDensity（密度）1.5e-08。

选择Mechanical→Elasticity→Elastic，在Data选项卡中，分别设置Young'sModulus,Poisson'sRatio的值为800000和0.3。

选择Mechanical中Expansion，在ExpansionCoeffalpha中输入4.7e-08，选择Thermal→Conductivity，在Conductivity中输入20.8，选择Thermal→SpecificHeat，在SpecificHeat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CreateSection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EditSection选项中选择workpiece_m,平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EditSection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SectionManager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AssignSection，选择工件并单击Done确认，出现EditSectionAssignment对话框，如图25。

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EditSectionAssignment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instancepart，弹出CreatInstance对话框，按住Shift选择tool与workpiece，单击OK，则工件与刀具模型被调入视图区。

单击工具区TranslateInstance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TranslateInstance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情况）

1.4.1定义分析步

进入Step模块，从工具区中选择CreateSteps，在CreateStep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Timeperiod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FieldOutput

Abaqus提供默认的输出项，因此单击工具区FieldOutputManager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OutputVariables里的选项按图31进行设置，之后点击OK确认输出请求。

图31FieldOutput编辑

1.4.3定义HistoryOutput

（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HistoryOutputManager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OutputVariables里的选项按图32进行设置，之后点击OK确认输出请求。

图32HistoryOutput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ApplyFrontView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Creatpartion，在弹出对话框中选择EnterParameter，然后选择视图区矩形左边线，单击Done，在提示区输入0.8，如图33

单击工具区PartionCell:

DefineCuttingPlane，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SeedPart键，弹出GlobalSeeds对话框，在Approximateglobalsize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SeedEdges进行局部细化撒种。

按住Shift依次选取上部长方体的四条长，单击提示区Done，弹出LocalSeeds对话框，其中Method选择Bynumber，并在Numberofelements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Numberofelements里输入20，细化高时在Numberofelements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AssignElementType，框选整个工件模型，单击Done，弹出ElementType对话框。

其中ElementLibrary里勾选Explicit选项；Family里勾选CoupledTemperature-Displacement选项；Hex选项中勾选Reducedintegration，在Second-orderaccuracy里勾选Yes，Distortioncontrol里勾选Yes,并将Lengthratio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MeshPart，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。

1.5.2.1总体撒种

单击工具区SeedPart键，在弹出的GlobalSeeds对话框中的Approximateglobalsize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AssignMeshControls，弹出MeshControl对话框，在MeshShape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AssignElementType，弹出ElementType对话框。

其中ElementLibrary里勾选Explicit选项；Family里勾选CoupledTemperature-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MeshPart，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Tools→Set→Creat，弹出CreatSet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设置工件温度节点

选择Tools→Set→Creat，弹出CreatSet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Tools→Set→Creat，弹出CreatSet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CreatInteractionProperty，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Mechanical→TangentialBehavior，从Frictionformulation下拉菜单中选择Penalty，在FrictionCoeff中填入0.5，如图46所示.

图46接触属性编辑

选择Mechanical→NormalBehavior，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%。

选择Thermal→HeatGeneration，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CreatInteraction，在弹出的对话框中选择GeneralContact（Explicit），单击Continue，弹出如图49所示对话框，在Globalpropertyassignment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编辑接触

1.7.2.2创建刀具与工件接触约束

单击工具区CreatInteraction，在弹出的对话框中选择Surface-to-surfaceContact（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Choosethesecondsurfacetype选项，选择NodeRegion，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RegionSelection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Continue，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Tools→ReferencePoint…，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CreatConstraint，弹出相应的对话框，Type类型选择Rigidbody，如图57所示

图57创建刚体

单击Continue进入编辑器，Regiontype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，并点击提示区Done键，Regiontype选取完成。

之后点击ReferencePoint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CreatBoundaryCondition，在弹出的编辑器里将Step改为Initial，在Category里选择Mechanical，在TypesforSelectedStep里选择

Symmetry/Antisymmetry/Encastre，如图60所示。

图60创建边界条件

单击Continue，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CreatBoundaryCondition，在弹出的编辑器里将Step改为Cutting，在Category里选择Mechanical，在TypesforSelectedStep里选择Velocity/Angularvelocity，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CreatPredefineField，在弹出的编辑器里将Step改为Initial，在Category里选择Other，在TypesforSelectedStep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