一种脆性材料切削过程仿真方法

摘要

本发明一种脆性材料切削过程仿真方法属于微纳米超精密加工数值仿真领域，涉及一种采用基于光滑粒子流体动力学方法的三维微纳米切削加工仿真模拟方法。仿真方法首先设定刀具和工件材料的尺寸，然后，在ANSYS里建立三维刀具有限元模型，在LS-PrePost中建立工件材料的SPH模型，再设置接触、边界、材料等参数，并在LS-DYNA中计算，最后，对仿真结果进行分析，判断结果是否符合实际加工情况。该仿真方法能更加清晰准确地得到切削加工过程中应力、应变、密度等数据，通过控制切深使得脆性材料在塑性域去除，更有利于获得较为理想的表面质量。节省了大量的人力成本、实验成本以及经济成本，并避免了实验方法难以在线观测的难题。

主权项

一种脆性材料切削过程仿真方法，其特征是，仿真方法首先设定刀具和工件模型的尺寸，然后，在ANSYS里建立三维刀具有限元模型，在LS‑PrePost中建立工件材料的SPH模型，采用虚粒子法来约束SPH粒子的边界，用对称罚函数法来进行接触的判定与计算，选择侵蚀接触作为接触类型并设置相关参数，采用适合于脆性材料高速加工的JH‑2模型材料本构模型，，并在LS‑DYNA中计算；最后，对仿真结果进行分析；仿真方法具体步骤如下：步骤1：设定刀具和工件模型的尺寸；根据需要仿真的尺度来设定工件模型与刀具尺寸，取工件模型长度是背吃刀量的10倍，高度是背吃刀量的5倍；根据实际刀具的形状，选择刀具参数；步骤2：在ANSYS里建立三维刀具有限元模型，假定工件模型为刚体，材料参数采用金刚石的参数；步骤3：在LS‑PrePost中建立工件模型的SPH模型a)用SPH法的光滑函数近似法，质点近似函数定义为：∏^hf(x)＝∫f(y)W(x‑y,h)dy   (1)其中，W为光滑函数，f是三维坐标向量x、y的函数，h为光滑长度，用来决定光滑函数的影响域；光滑函数W经常用辅助函数θ来表示：其中，d为空间维数；在数值计算中，光滑长度h要求设置最小值和最大值，HMIN*h₀<h<HMAX*h₀   (3)其中，h₀为初始光滑长度，HMIN和HMAX分别为最小值系数和最大值系数；SPH法通过光滑函数的使用来完成函数的积分表示，对一系列任意点有效实现函数近似，采用三次B‑样条函数：其中，C为归一化常数，由空间维数确定；b)粒子近似与邻域搜索:采用的仿真模型由具有独立质量，并占有独立空间的有限个粒子表示，将任一点上函数的连续积分形式转化为邻域内所有粒子叠加求和的离散化形式；邻域搜索采用bucket算法；每个SPH粒子周边半径为2h的球形区域是其影响域，整个求解域被划分为若干个子域，之后在主子区域以及与之相邻子区域中对每个粒子进行搜索；步骤4：设置边界约束、接触类型，并在LS‑DYNA中计算；a)采用虚粒子法来约束SPH粒子的边界，“虚粒子法”对工件可能移动方向进行约束；靠近SPH粒子边界处2h范围内设置出虚粒子；对于靠近边界的SPH粒子，通过对自身的映射，自动创建具有相同质量、压力、绝对速度的虚粒子，使得真粒子能正常进行邻域搜索，以达到约束边界的目的；注意虚粒子界面设置要和SPH粒子边界相连，不能重合或者有空隙；b)对于工件模型的选择，采用适合于脆性材料高速加工的JH‑2模型；材料强度通过下式描述：σ^*＝σ^*_i‑D(σ^*_i‑σ^*_f)   (5)其中：公式(5)～(7)中，σ^*为标准化等效应力；为未损伤标准化等效应力；为损伤标准化等效应力；P^*为标准化静水压力；T^*为标准化最大静水压力；为标准化应变率；D为损伤系数；A、B、C、M、N为材料参数，根据具体材料而定；损伤的累积量通过以下公式确定：其中，Δε_p为单次循环内的塑性应变增量；D₁、D₂为材料参数，根据具体材料而定；c)用对称罚函数法来进行接触的判定与计算，对称罚函数算法中，每一时间步长先检查各从节点是否穿透主表面，没有穿透则对该节点不做任何处理；如果穿透，则在该节点与被穿透主表面之间引入一个较大的界面接触力，其大小与穿透深度、主片刚度成正比，称为罚函数值，它的物理意义相当于在从节点和被穿透主表面之间放置一个法向弹簧，以限制从节点对主表面的穿透；对称罚函数法同时再对主节点处理一遍，其算法与从节点一样；弹簧接触力等于接触刚度K和穿透量δ的乘积；两个物体的穿透量δ与接触刚度K有关，接触刚度K与接触体的相对刚度有关，为：其中，S为表面积、V为体积、k为接触单元的体积模量；式中f_s为罚因子，本发明中设置为0.1；d)接触类型选择侵蚀接触，并设置相关参数本发明接触的摩擦系数是由静摩擦系数F_s、动摩擦系数F_d和指数衰减系数 DC组成的，并认为摩擦系数μ_c与接触表面的相对速度V_rel有关；关系表述为：步骤5：对仿真结果进行合理性评估分析，通过分析加工的时间历程、应力应变分布、裂纹扩展、切削力、粒子密度来揭示脆性材料超精密切削过程，若符合实际加工情况则结束，否则返回步骤3。