基于Abaqus的二維切削仿真分析

0 引言

計算機技術的發(fā)展使得制造工作可以借助有限元分析手段輔助進行，Abaqus就是一款功能強大的有限元分析軟件。通過Abaqus軟件模擬真實的切削加工過程并進行分析，可以進行切削參數(shù)的優(yōu)選、目標量的預測等工作，這不僅節(jié)約了成本，還對實際生產(chǎn)具有指導意義。

1 國內外研究現(xiàn)狀

鄧蓉等

通過Abaqus有限元軟件對45鋼堆焊層進行了二維切削仿真，仿真結果表明堆焊層使45鋼的切削力的波動情況變得比沒有堆焊層的劇烈，當保持切削速度和進給量不變時，切削深度的增大會造成切削力增大的同時波動情況也越來越劇烈，工件切削處的溫度隨著切削深度的增大而升高，模擬試驗得到的使切削力波動情況最穩(wěn)定的切削要素為：Vc = 600m/min、f = 0.12mm、a

= 0.1mm。馬浩騫等

通過Abaqus軟件設計并模擬切削Ti6Al4V鈦合金切削的三因素四水平正交實驗，借助極差分析和方差分析手段，研究了刀具前角、切削深度、切削速度對切削力和切削溫度的影響，試驗結果表明切削深度對切削力影響較大，對切削溫度影響不明顯，刀具前角對切削力和切削溫度的影響都高度顯著。有限元分析手段在車削領域也存在廣泛的應用，孔林雁等

利用Abaqus軟件模擬了SiCp/Al復合材料的切削，模擬結果表明切削力隨刀尖圓弧半徑的增大而增大，切削力大小波動程度與切削速度大小呈正相關。李堯等

對飛機承力構件常用材料30CrMnSiA進行了有限元仿真研究，分析了刀具前角和主軸轉速對切削力的影響規(guī)律，結果表明刀具前角為13°時，切削力最小，臨界主軸轉速為2000r/min。趙仲林等

通過建立三維有限元切削模型，結合BP神經(jīng)網(wǎng)絡，對切削力進行了預測，預測得到的切削力與仿真實驗得到的切削力最大誤差值為9.48%，誤差結果驗證了BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型的準確性，仿真結果也表明切削力隨著切削速度的增大而先增大后減小，隨著切削深度的增大而增大。劉德等

在Abaqus軟件中建立了鈦合金三維銑削的模型，仿真的得到了切削力的值，并將仿真得到的結果與實驗結果進行了對比，對比結果表明了有限元模型預測銑削力是可靠的，為鈦合金零件的銑削參數(shù)優(yōu)選提供的參考。Yin等

利用Abaqus軟件模擬了TC4鈦合金的切削過程，研究切削用量對切削力及切削溫度等的影響規(guī)律，并借助試驗對仿真結果進行了驗證，兩者具有很大程度的一致性，說明仿真結果較可靠。張家雨

等利用Abaqus建立了高速切削Ti6Al4V的二維正交模型，仿真研究了切削用量對切削力大小、切削力波動頻率及鋸齒形切屑形態(tài)的影響，結果表明：平均切削力隨著切削深度的增大而增大，切削力波動頻率隨切削深度的增大而減小，鋸齒化程度隨切削速度和切削深度的增大而增大。

J-C本構模型是金屬切削中常用的一種模型，該模型包括分別反映材料應變強化效應、應變速率強化效應、熱軟化效應的A、B、n、C、m等五個核心參數(shù)。彭臣西等

通過利用參數(shù)不同的12組J-C本構模型進行了Abaqus二維切削仿真，對比發(fā)現(xiàn)，對于7050-T7451材料來說，J-C本構模型中的參數(shù)取A = 435MPa，B = 543.624MPa，n = 0.504，C = 0.019，m = 0.97時，得到的仿真結果比較理想，同時發(fā)現(xiàn)，高的流變應力可以導致大的主切削力。

針對鈦合金薄壁件銑削難度大的問題，岳彩旭等

利用Abaqus軟件建立了鈦合金薄壁件三維銑削的模型，得到了銑削中的溫度場和銑削力，并通過實驗對仿真結果進行了驗證，仿真與實驗的相對誤差為12.3，仿真模型可以為后續(xù)銑削參數(shù)優(yōu)化等工作提供數(shù)據(jù)基礎。李同等

利用有限元分析計算，并結合正交試驗，確定了鈦合金圓形薄壁件銑削的銑削參數(shù)最優(yōu)組合。

原來這喜姑也是一把山歌高手，半斤對八兩，烈火遇干柴，一首《十月遇姐》還沒唱完，兩人就箍頭抱頸，扭作一團了。

有限元分析手段也常被用于超聲振動輔助切削中，魏正義等

利用Abaqus軟件建立了超聲橢圓振動輔助車削的二維模型，對車削GH4169高溫合金進行了仿真加工，得出結論：切削速度超過臨界速度后會影響超聲橢圓振動的加工效果，與普通車削相比，振動車削能降低切削力，在超聲橢圓振動車削中，振幅增大能夠減少切削時間、降低切削力、延長刀具使用壽命。楊禹等

針對鈦合金加工難的問題，以加工TC4鈦合金為例，在Abaqus中建立了軸向振動銑削的模型，并發(fā)現(xiàn)軸向振動銑削有利于降低切削力。杭華

利用有限元軟件建立了超聲振動輔助鉆削鈦合金的仿真模型，分析了進給量、主軸轉速等參數(shù)對切削力等的影響。

收集兩組患者一般資料，包括年齡、性別、血壓[舒張 壓 （DBP）、 收 縮 壓 （SBP）]、BMI、 血 糖 （2 hPG、FBG、HbA1c、2 hCP、FCP)、血脂(TC、HDL-C、TG、LDL-C)、肝功能(AST、ALT、GGT)。比較兩組頸動脈內膜中層厚度（IMT）和動脈狹窄、硬化以及斑塊形成發(fā)生情況。

黃堯等

借助Abaqus有限元分析手段研究了鈦合金銑削加工表面殘余應力的影響因素，結合極差法研究發(fā)現(xiàn)，在影響加工表面殘余應力的因素中，影響程度從小到大依次為銑削深度、銑削路徑、銑削速度，其中，殘余應力隨著銑削速度的增大而增大。

材料的最小切削厚度是精密加工參數(shù)優(yōu)選的重要依據(jù)，王帥杰等

利用利用Abaqus軟件的CEL切削仿真技術建立了高溫合金Inconel 718的微切削最小切削厚度預測模型，綜合仿真和試驗結果得出Inconel 718微切削最小切削厚度范圍是7～15μm。周純江等

針對最小切削厚度的存在問題，建立了最小切削厚度模型，對最小切削厚度的估值進行了研究。

切削過程中只有工件涉及變形，故只對工件進行網(wǎng)格劃分。對于工件這種形狀規(guī)則的部件，通常采用四邊形的結構化網(wǎng)格。切削過程中材料的塑性和損傷都與溫度有關，因此單元族類型選擇溫度-位移耦合，本切削模型中采用CPE4RT的單元類型。為使計算結果準確同時保證計算收斂，將整個工件分成兩部分，切削部分設置為四邊形結構化網(wǎng)格，基體部分設置為自由網(wǎng)格。畫好網(wǎng)格并裝配起來的刀具-工件幾何模型如圖1所示。

在Abaqus軟件中建立了普通鋼板的二維切削模型，以切削深度、切削速度、刀具前角為因素模擬了三因素四水平正交試驗，得到了每組試驗數(shù)據(jù)下的切削力值。

Wang等

通過Abaqus有限元仿真軟件，研究了小孔徑深孔鉆削中切削參數(shù)對零件加工變形及殘余應力的影響，結果表明：根據(jù)仿真結果能夠選擇合理的切削參數(shù)。王一卓等

通過建立Abaqus三維和二維切削仿真的模型，分析了進給速度、轉速及刀具前角對加工表面殘余應力的影響，結果表明：加工表面殘余應力隨進給速度的增大而增大，隨著轉速的增大，工件表面的殘余應力逐漸減小，隨著刀具前角的減小，殘余應力逐漸增大。謝黎明等

使用有限元軟件AdvantEdge對7050鋁合金材料進行了切削仿真，利用單一變量法確定了工件表面殘余應力隨切削參數(shù)變化的規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)：工件表層為殘余壓應力，亞表層為殘余拉應力，進給量對殘余應力的影響最大，切削速度次之，切削深度的影響最小。

李飛等

通過Abaqus軟件模擬Ti6Al4V鈦合金的高速切削過程，分析不同切削速度下的熱流向向量、溫度和力等參數(shù)，得出結論：刀具振動和切削速度有關，并通過實驗驗證了仿真結果的可靠性。

切削過程中的切削力主要來自刀具后刀面和第三變形區(qū)之間的摩擦力與工件塑性變形的抗力兩部分，過大的切削力有如下危害：可能會導致刀具壽命減短、零件尺寸和公差改變、材料性能變差等。本章以切削速度、切削深度、刀具前角為影響切削力的因素，模擬進行了三因素三水平的正交試驗，將這三種因素對切削力的影響程度做了比較，并以最小的切削力為目標，并對其進行了優(yōu)選。正交試驗參數(shù)如表3所示。

2 二維切削仿真

Abaqus軟件在原有的功能基礎上，還能通過對其進行二次開發(fā)，使它具備原先不具備的功能，從而完成更多的工作。Chen等

使用腳本語言Python對Abaqus軟件進行了二次開發(fā)，程序界面友好，可操作性強，為后續(xù)研究切削用量對切削力的影響規(guī)律奠定了基礎。王彥武

對Abaqus軟件的快速換刀和快速建模進行了二次開發(fā)，解決了手動重復建模的效率低和精度低的問題。秦宇等

基于有限元軟件Abaqus的Plug-ins插件程序，用Python語言對前處理模塊進行了二次開發(fā)，成果在切削仿真的參數(shù)化建模等方面具有借鑒意義。胡嵐等

通過二次開發(fā)將Ti6Al4V將材料寫進Deform-3D材料庫中進行了切削仿真，結果表明二次開發(fā)建立的材料模型能夠提高仿真精度。

2.1 建立刀具和工件的幾何模型

在部件模塊分別建立刀具和工件的幾何模型，由于在仿真中假定刀具不發(fā)生變形，故將刀具類型設置為解析剛體，工件類型為可變形二維殼體。工件為0.2m×0.1m的長方形，刀具后角為10°，刀具前角為變量。

第二，現(xiàn)有研究還忽視了技術市場。企業(yè)合作創(chuàng)新后，申請專利，允許其他企業(yè)使用該專利，從而收取專利費，這就形成了技術市場。技術市場的定價行為和均衡必然影響產(chǎn)品市場和后續(xù)的創(chuàng)新行為，因而研究合作創(chuàng)新與專利安排的相互作用，技術市場和產(chǎn)品市場的相互作用是下一步研究深入的一個重要方向。

2.2 網(wǎng)格系統(tǒng)的構件

(1) Takotsubo綜合征(TTS):即應激性心肌病。TTS可以表現(xiàn)為急性心肌梗死，其中1%～2%的患者表現(xiàn)為可疑STEMI。TTS常由劇烈情緒變化、壓力等誘發(fā)。90%的患者是絕經(jīng)后女性。如患者臨床表現(xiàn)、心電圖異常與cTn的升高程度不成比例，左心室壁運動異常的分布與單個冠狀動脈分布不相關時，則應高度懷疑TTS。需冠脈造影和心室造影來明確診斷。

先用低ⅰ擋試割，如果工作正常再適當提高一個擋位，收割一段距離后，應停車檢查收獲質量，觀察各部位調整是否適當，無異?，F(xiàn)象方可進入正常作業(yè)。

2.3 設置材料屬性

作為剛體的刀具不需要設置材料屬性。

工件材料材料為普通鋼板，樣式模量和泊松比分別為2.1e11和0.3，密度為7800 kg/m

。

切削過程是一個高應變、高應變率、高溫的過程，這種過程中材料的塑性通常采用J-C本構，鋼板工件的J-C本構核心參數(shù)如表1所示。

將工件完全約束，對刀具給一個切削速度邊界條件。

2.3 創(chuàng)建分析步

設置分析步類型為顯示動力學分析，分析時間與之后的切削速度有關。

由于切削過程中部分網(wǎng)格會被破壞，故采用ALE自適應網(wǎng)格來保證計算的順利進行。ALE自適應網(wǎng)格技術中，如果參數(shù)設置不當，可能會導致由于網(wǎng)格問題而引起計算無法進行，本文ALE相關參數(shù)設置如圖2所示。

2.4 設置相互作用與邊界條件并提交作業(yè)

創(chuàng)建刀具前刀面及后刀面和工件之間的接觸，對刀具設置剛體約束。

材料失效采用剪切破壞準則，有關參數(shù)如表2所示。

將所有前處理工作都做好后就可以創(chuàng)建作業(yè)并檢查數(shù)據(jù)，檢查無誤后提交作業(yè)進行計算。

3 針對切削力進行極差分析

有限元手段在切削等方面都得到了廣泛的應用，目前的研究主要體現(xiàn)在通過有限元手段獲得切削力、切削溫度等參數(shù)，然后用實驗進行驗證其準確性等方面，而對有限元仿真時的參數(shù)優(yōu)選較少，所以本文利用Abaqus軟件，以普通鋼板為材料，進行了二維切削仿真，研究了切削速度、切削深度和刀具前角對切削力的影響規(guī)律，通過極差分析法，對切削深度、切削速度和刀具前角進行了優(yōu)選，分別研究了切削深度、切削速度和刀具前角對切削力的影響規(guī)律。

在車上將袋子交給她時，我會先將袋子直放地上，然后緩緩推向她；下車拿袋子時，我會請她先推出袋子，我再緊抓住袋子右上角拉向我。

Abaqus自帶的后處理功能可以直接獲得切削力值，采用第一組試驗數(shù)據(jù)，即切削速度為1m/s，切削深度為0.002m，刀具前角5°時的切削力結果如圖3所示。

對比圖中兩條曲線可以發(fā)現(xiàn)，主切削力

的值遠大于切深抗力

，故本文主要研究

，并取切削力值得平均值作為研究對象。

各組試驗參數(shù)及試驗結果如表4所示。

美股近日表現(xiàn)反復，道指周三單日急升過千點，創(chuàng)9年半最大單日升幅，但若論12月以來形勢，三大指數(shù)累積跌幅仍有大約10%，很大機會創(chuàng)下自1931年經(jīng)濟大蕭條以來表現(xiàn)最差的12月份。中港股市亦持續(xù)于低位浮沉，內地最新公布11月工業(yè)利潤按年倒退1.8%，至5950億元人民幣，為2015年以來首次下跌，加深市場對經(jīng)濟增長放慢的憂慮，恒指再度失守25500點，為11月初以來首次收市跌穿此水平。輪證資金流向方面，投資者傾向部署好倉博反彈，截至本周四的過去5個交易日，恒指好倉(認購證及牛證)共錄得1.5億港元凈流入，同期恒指淡倉(認沽證及熊證)凈流出9千萬港元。

極差分析是通過計算和判斷兩個步驟來得出各影響因素對目標量的影響程度，并優(yōu)選出最佳的因素參數(shù)組合。各因素對目標量的影響程度大小由極差參數(shù)R表征。極差分析的結果如表5所示。

根據(jù)極差分析的結果，對切削力的影響程度最大的是切削深度，其次是切削速度，刀具前角的影響最小，且最佳的組合為切削速度為1m/s，切削深度為0.002m，刀具前角為15°。為進一步分別研究各因素對切削力的影響規(guī)律，分別以切削深度、切削速度和刀具前角為變量安排了單因素試驗，試驗參數(shù)如表6所示。

品牌管理組織是品牌戰(zhàn)略實施的基礎和關鍵，承擔品牌從定位、設計、推廣、維護、評估等工作任務，也是實現(xiàn)品牌戰(zhàn)略目標的保障。雖然各圖書館品牌建設目標、人力資源狀況及環(huán)境不同，但一些基本原則有助于高效的組織建設。

切削力隨各因素的變化情況如圖4、圖5、圖6所示。

在圖3中，固定f=0.2,可以清楚看到，ER網(wǎng)絡在HTLDD、LTHDD和RDD策略下具有相似的魯棒性，表明不同的邊定向策略對ER網(wǎng)絡抵制級聯(lián)故障的魯棒性影響不大.

圖4表明，切削力隨切削深度和切削速度的增大而逐漸增大，隨刀具前角得增大先增大后減小，在刀具前角為10°時達到最大。這是因為切削深度和切削速度的增大使得發(fā)生塑性變形得抗力增大，從而導致切削力增大。

4 結語

本文通過Abaqus有限元軟件模擬切削鋼板，設計了正交試驗，并通過極差法分析了切削速度、切削深度和刀具前角對切削力的影響規(guī)律，得出結論：對切削力影響最大的是切削深度，其次是切削速度，刀具前角的影響最小，并且得到最佳的參數(shù)組合為切削速度為1 m/s，切削深度為0.002 m，刀具前角為15°。通過分別對切削深度、切削速度和刀具前角為變量進行了單因素試驗，得出結論：切削力隨切削深度和切削速度的增大而逐漸增大，隨刀具前角得增大先增大后減小，在刀具前角為10°時達到最大。

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