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文档格式.docx
《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文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《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文档格式.docx（27页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
1-ç
0÷
ú
（2-1）
-8-
ë
û
ë
ê
ç
e s-1÷
ø
û
è
0
è
Tmelt-T0ø
ú
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
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）
n
c
m
融化温度
过渡温度
AISI1045
546
487
0.25
0.027
0.63
1350
298
1.3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：
å
æ
Deplö
（2-2）
D ç
e
式中，Depl为等效塑性应变增量；
= ç
pl
f ø
epll
ep由下式可得
f为失效应变。
其中，f
epl=é
d+d æ
expd
pö
1+dLn
æ
eplö
æ
1+d T-T
ö
（2-3）
f ê
1
2
ç
3
÷
4
qø
5 ÷
e0ø
è
Tmelt-T0ø
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
D1
D2
D3
D4
D5
0.1
0.76
1.57
0.005
-0.84
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
（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。
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。
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
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CreateMesh
Part，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Mass
Density（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。
表2.2.1AISI1045线膨胀系数
q，K
373
473
573
a
（m/（106K）
1.16
1.23
1.31
（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。
-22-
2.3模型的装配
图2.2-1赋予材料属性
（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
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
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HistoryOutputRequests如图2.4-2所示，因为要输出刀具的应力应变曲线，所以作用域采用集并选择刀具参考点ref-dao，输出变量中勾选应力和应变选项，其他保持默认。
图2.4-2历程输出设置
（3）设置ALE自适应网格
首先在part模块里创建一个set集命名为woke-el，类型为单元，选中整个workpiece模型，再进入step模块，创建如图2.4-3所示的ALE网格自适应参数属性。
图2.4-3ALE自适应网格
2.5定义接触
（1）定义接触面
进入Interaction模块，菜单中选择Tools——Surface——Create，默认接触面类型为
Geometry，填入名称为Surf-dao，点击Continue，框选刀具，此时提示栏弹出两个选择按钮，不同颜色代表着不同的刀具的内外表面。
选择代表刀具外表面的颜色，完成刀具的接触面设置。
在菜单中选择Tools——Surface——Create，选择类型为mesh，填入名称为Surf-workpiece，点击Continue。
如图2.5-1所示，点击提示栏里的Done完成工件的接触面设置。
图2.5-1
（2）定义接触性质
从主菜单中选择Interactions——Property——Create，在出现的对话框中命名接受默认的Intprop-1为，接受Contact为默认选择，点击Continue进入EditContactProperty对话框。
选择Mechanical——TangentialBehavior，选择Frictionformulation为粗糙Penalty，在Friction
Coeff中输入0.6。
选择Mechanical——NormalBehavior，接受默认选项，点击OK完成设置，如图2.5-2所示。
（3）定义接触对
图2.5-2刀具与工件的相互作用
从主菜单中选择Interaction——Create，在出现的接触对命名对话框中命名接受默认为Int-1，选择初始分析步cutting，在接触对的类型列表中选中Surface-to-surfaceContactExplicit，点击Continue之后弹出主从接触面的选择提示。
点击视图右下角出现的接处面选择按钮
surface，在弹出的列表中选Surf-dao后点击Continue。
提示栏弹出选择从面的类型，单击
surface按钮后再次出现已定义面的列表，双击选择surface-contact后弹EditInteraction对话框，接受默认选项并点击OK完成接触对的设置。
其结果如图2.5-3所示。
图2.5-3定义接触对
2.6定义载荷和温度场
（1）定义元素集合
进入Load模块，在主菜单中选择Tools——Set——Create，在弹出的CreateSet对话框中取名为work-fix并选择类型为Node，点击Continue后在主窗口中选择属于工件的底边和左边，点击提示栏的Done完成节点集合的定义；
同样方法建立work-all选中整个工件；
在主菜单中选择Tools——Set——Create，在弹出的CreateSet对话框中取名为ref-dao并选择类型为Geometry，点击Continue后在主窗口中选择刀具参考点RP，点击提示栏的Done完成定义。
（2）定义约束边界条件
在主菜单中选择BC——Create，在弹出的CreateBoundaryContion对话框中输入名称为
fix，选择初始分析步并选择边界条件目录为Mchanical，选择类型选项卡中的
Symmetry/Antisymmetry/Encastre，点击Continue弹出的RegionSelection对话框中点击work-fix，再点击Continue，选择表示约束所有自由度的ENCASTRE
（U1=U2=U3=URl=UR2=UR3=0），点击OK确定。
重复上一步中的创建边界条件动作。
输入名称为dao-move并选择分析步为已定义分析步cutting，在Mechanical目录中选择约束类型为Velocity/Angularvelocity，点击Continue后出现区域选择对话框。
选择ref-move刀具几何参考点并点击Continue出现如图2.6-1所示的EditBoundaryCondition对话框。
点击下方Amplitude选项后的create，在弹出的Create
Amplitude对话框中命名为Amp-1并选择定义类型为Tabular，点击Continue后在时间和幅度的数学关系表格中输入如图2.6-1中所示数据，并点击OK确认。
主窗口中刀具的参考点上出现向左的箭头表明刀具运动已经置成功。
幅度曲线的定义是为了设定刀具运动速度有一个从零到最大，再降为零的变化过程。
图2.6-1载荷
（3）定义温度边界条件
在主菜单中选择PredefinedField——Create，在弹出的CreateField对话框中默认名称为
Field-1并选择初始分析步Initial，在目录Other选择类型选项卡中的Temperature，点击
Continue后出现区域选择对话框。
选择work-all节点集合并点击Continue，弹出如图2.6-2
所示的场编辑器，在Magnitude项中输入298，点击OK完成工件初始温度的设置。
2.7数据检查并提交任务
图2.6-2定义温度场
（1）创建数据检查任务
在主菜单中跳过Mesh步骤直接进入Job模块。
在主菜单中选择Job——Create，在弹出的CreateJob对话框中给分析任务取名为job-10并点击Continue进入编辑任务对话框。
接受默认选择后点击OK完成创建任务。
在主菜单中选择JobsManager，在弹出的任务管理器对话框中点击DataCheck按钮执行数据检查。
（2）递交任务
在任务管理器中，其Status一栏显示了任务执行的进程，当任务执行完毕并且没有错误
时显示CheckComplete。
完成后点击Submit提交经过数据检查之后的运算任务，此时计算机开始运行你提交的任务。
三、仿真结果分析
在任务处理过程中或者处理进行时，均可以在可视化模块中查看到作业过程和作业结果，选择输出场为MISES应力和塑性应变时，即可查看不同的应力场。
本文模拟计算了前角为
-10°
时，速度分别为1m/s，5m/s，8m/s（即60m/min，300m/min和480m/min）
切削过程的应力、应变和切削力的变化情况，以下为模拟结果和并对模拟的结果进行相应的分析。
3.1应力模拟结果与分析
以下为前角为10°
，0，-10°
时，速度分别为60m/min，300m/min和480m/min的
Mises应力云图（如图3.1-1至3.1-9）。
图3.1-1前角为-10°
，切削速度60m/min应力图
图3.1-2前角为-10°
，切削速度300m/min应力图
图3.1-3前角为-10°
，切削速度480m/min应力图
图3.1-4前角为0°
图3.1-5前角为0°
图3.1-6前角为0°
图3.1-7前角为10°
图3.1-8前角为10°
图3.1-9前角为10°
3.2塑性应变模拟结果与分析
Mises应力云图（如图3.2-1至3.2-9）。
图3.2-1前角为-10°
，切削速度60m/min塑性应变图
图3.2-2前角为-10°
，切削速度300m/min塑性应变图
图3.2-3前角为-10°
，切削速度480m/min塑性应变图
图3.2-4前角为0°
图3.2-5前角为0°
图3.2-6前角为0°
-23-
图3.2-7前角为10°
图3.2-8前角为10°
图3.2-9前角为10°
-27-
3.3塑性应变模拟结果与分析
由于在切削过程中，刀具和工件相互作用，故选择刀具上参考上的反作用力作为切削力。
选择XY两个方向上的切削力RF1和RF2来做为切削力来进行分析。
，0，-10°
时，速度分别为60m/min，300m/min和480m/min的切削力曲线图
升级会员 