abaqus-铝合金A357切削加工有限元模拟

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论文主要内容 1.铝合金A357切削加工有限元模型
刀具的儿何参数； 影 响 因 素 装夹条件； 切削参； 假 设 条 件
刀具是刚体且锋利，只考虑刀具的温度传导; 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; 被加工对象的材料是各向同性的； 不考虑刀具、工件的振动； 由于刀具和工件的切削厚度方向上，切削工程 中层厚不变，所以按平面应变来模拟；
1.1.3 A357与刀具材料参数
A357铝合金，密度ρ=2680Kg/m3,弹性模量E=79GP，泊松比 μ=0.33其他参数如下表：
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1.1.3 A357与刀具材料参数
A357铝合金，密度ρ=2680Kg/m3,弹性模量E=79GP，泊松比μ=0.33其他 参数如下表：
Gf pl L yd ydu
0
o
fpl
pl
uf
pl
pl
表达式中的 u pl 为等效塑性位移，它描述了当损伤开始之后裂纹 pl 变化的屈服应力，在损伤开始之前 u pl=0.在损伤开始之后 u =L pl ，L 为与积分点相关的单元特征长度，单元特征长度的定义基于单元的集 合形状，平面单元长度为积分点区域面积的平方根，而立方体单元长 度为积分点区域体积的立方根。
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1.1.2 材料失效准则
实现切屑从工件分离，本文采用的是剪切失效模型。剪切 失效模型是基于等效塑性应变在积分点的值，当损伤参数达到 1时，单元即失效，失效参数定义如下：

0 f
pl
pl
pl
式中： 为失效参数， 为等效塑性应变初始值， 为等效塑 性应变增量， 为失效应变。失效应变 设定以来于以下几个方 面：依据塑性应变率，无量纲压应力与偏应力之比p/q(p为压应 力，q为Mises应力),温度，预定义域变量。这里采用 Johnson357切削加工有限元模型
1.1.1 A357的Johnson-Cook本构模型 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。当前常用的塑性材 料本构模型主要有：Bodner-Paton、Follansbee-Kocks、 式中第一项描述了材料的应变强化效应，第二项反映了流动应 Johnson-Cook 、 Zerrilli-Armstrong等模型，而只有Johnson力随对数应变速率增加的关系，第三项反映了流动应力随温度升高 Cook 模型描述材料高应变速率下热粘塑性变形行为。 指数降低的关系。 、Tr分别表示参考应变速率和参考温度，Tm为材 Johnson —Cook模型认为材料在高应变速率下表现为应变硬化、 料熔点。式中A、B、n、C、m、D、k是7 个待定参数；A、B、n表 应变速率硬化和热软化效应， Johnson —Cook 模型如下所示： 征材料应变强化项系数；C表征材料应变速率强化项系数； m表征材 m
位于尾翼； 迫弹修正机构 结构简单，加工容易； 经济性好； 较大的弹道修正能力 .5.
论文主要内容 2.修正机构设计
2.1修正机构作用原理
系 统 供 电 GPS天线 GPS接收机 （GPS组件） （DSP组件） 否 弹道数据 弹 是 道 解 算 否 满足要求 升 是 压 起 爆 驱 动 器 阻 尼 片 展 开 机 构
总体等效应力云图
Equivalent Elastic Strain /mm 2.9858e-2 2.6541e-2 2.3223e-2 1.9906e-2 1.6588e-2 1.3271e-2 9.9531e-3 6.6356e-3 3.318e-3 4.6948e-7
总体等效应变云图
可以看出，弹体最大等效应力未超过材料的屈服强度，弹 体等效应变量也较小，所以弹丸满足强度要求。 .9.
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1.1.2 材料失效准则
yo和 0
pl
p l 图1.1中 yo 和 0 为材料开始损伤时的屈服应力和等效塑性 p l 0 是材料失效时即图中D=1时的等效塑性应变。材料失效 应变。 p l 时的等效塑性应变 0 依赖于单元的特征长度，不能作为描述材 pl 料损伤演化的准则。相反，材料损伤演化的准则又等效塑性位移 u 或者断裂耗散能量 Gf 决定。
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1.1.2 材料失效准则
基于有效塑性位移定义损伤演化用Linear方法定义即如下图所示：
该准则使有效塑性位移达到u pl = u f 时，材料的刚度完全丧失，模 型的失效网格被自动删除，也就是材料此时发生断裂，切屑开始形成。
pl
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0 for transition ( transiton ) /( melt transition ) for transition melt 1 for melt

是当前温度， melt 是熔点， transition 是室温。
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论文主要内容 2.修正机构设计
设y1=φ，y2=dφ/dt，则可得微分状态方程：
y y 2 1 3S v 2C xw sin 2 y1 M 1 M 2 3E1d14 (0 y1 ) y2 J 64 D n 4mL 2 y1 (0) 0, y2 (0) 0
修正机构作用原理图
1 2 3 4 5 6 7
9
8
1.天线座 2.GPS天线 3.弹尾 4.控制组件底座 5.惯性开关 6.DSP组件 7.控制组件压盖 8.GPS接收机 9.电池
控制系统结构图
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论文主要内容 2.修正机构设计
1 2 3
5
4
解锁前
解锁后
1.垫片 2.螺钉 3.阻尼片 4.弹簧 5.滑块
100 90 80
350 300
转动角速度（ rad/s ）
张开角度（ ° ）
70 60 50 40 30 20 10 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
250 200 150 100 50 0 0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
时间（ s）
时间（ s）
张开角度随时间变化
刀具使用的是硬质合金，密度ρ=15000Kg/m3,弹性模量E=210GP，泊松 比μ=0.22其其它参数如下表：
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1.2 摩擦模型
金属切削过程中，刀具前刀面的摩擦状态非常复杂，通常 把前刀面得摩擦区分为粘结区和滑动区，粘结区的摩擦状态与 材料的临界剪应力有关，滑动区可近似认为摩擦系数为常值可 以用下式来表示：
论文主要内容 2.修正机构设计
2.3机构理论分析 扭簧的工作转矩为：
E1d14 M1 0 3667 D2 n
空气阻力矩为：
M2 1 SL 2CxW sin 2 4
阻尼片的转动角速度：
J d M1 M 2 dt
从而有：
d 2 d M1 M 2 2 dt dt J
转动角速度随时间变化
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论文主要内容 2.修正机构设计
2.4样机收星试验
修正机构样机及控制元件
(a)
T T n 料热软化系数； , 分别为常温材料熔点。 r A B 1 c ln 1 Tm Tr 0
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c min （n，s）
n 为接 c 为接触面的滑动剪切应力； 为摩擦系数； 式中： s 为材料的临界屈服压力。 触面上的压力；
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论文主要内容 1.铝合金A357切削加工有限元模型
1.2.1 质量放大
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论文主要内容 1.研究意义
修正模块微型化技术限制；
修正引信
零件加工难度大； 阻力环面积小，弹道修正能力受限制
铝合金A357切削加工有限元模拟
Design and Research of General Trajectory Corrector For an Aircraft
汇报人：张怡雯
By：ABAQUS
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论文主要内容
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铝合金A357切削加工有限元模型 abaqus商用仿真软件中限元模型建立
2
3
模拟结果分析
(d)
(b)
(a)
(张开前)
(c)
(张开后)
整体效果图
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论文主要内容 2.修正机构设计
2.2发射强度校核
基于修正弹发射的安全性，需进行发射强度校核，本文采用瞬态 动力学数值方法进行强度校核。
模型剖视图
模型网格图
膛压曲线图
弹丸施加载荷图
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论文主要内容 2.修正机构设计
Equivalent Stress /MPa 350 311 272 233 195 156 116 78 39 0
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1.1.2 材料失效准则
当材料开始损伤破坏时，应力应变曲线已经不能准确的描述材料 的行为。继续应用该应力应变曲线会导致应变集中，变化过于依赖建 模时所画的网格，以致当网格变密后耗散能量反而降低。Hillerborg能 量失效法被提出用应力位移响应曲线来表征破坏过程减少了分析对网 格的依赖性。利用脆性断裂概念定义一个使单元破坏的能量Gf作为材 料的参数。通过这种方法，损伤开始的软化效应是一种应力位移响应 而不是应力应变响应。破坏能量有下式表示：