一种基于abaqus的颗粒增强钛基复合材料车削过程仿真方法
阅读说明：本技术 一种基于abaqus的颗粒增强钛基复合材料车削过程仿真方法 (ABAQUS-based particle-reinforced titanium-based composite material turning process simulation method ) 是由 宦海祥 濮建飞 霍福松 张可 徐文强 叶香晨 赵正彩 于 2021-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于ABAQUS的颗粒增强钛基复合材料切削过程仿真方法,包括建立钛基复合材料切削过程的仿真模型,将经过处理的仿真模型提交至ABAQUS仿真软件的求解器中进行求解运算,得到运算结果,在ABAQUS仿真软件的后处理模块中查看切削力、应力-应变、材料破损,结合实验及实际切削,对运算结果进行分析和评价。本发明的本发明的仿真方法不同于实验的复杂、繁琐,操作简单,只需在软件中改变数值重新计算,计算结果准确性高,而且该软件使用方便,易掌握,进而可以减少真实车削颗粒增强钛基复合材料的实验次数,为工艺参数的选择提供一份简便的方法,加快加工工艺的优化进程。(The invention discloses a simulation method of a cutting process of a particle-reinforced titanium-based composite material based on ABAQUS, which comprises the steps of establishing a simulation model of the cutting process of the titanium-based composite material, submitting the processed simulation model to a solver of ABAQUS simulation software for solving operation to obtain an operation result, checking cutting force, stress-strain and material damage in a post-processing module of the ABAQUS simulation software, and analyzing and evaluating the operation result by combining experiments and actual cutting. The simulation method of the invention is different from the complex and tedious experiment, has simple operation, only needs to change the numerical value in the software for recalculation, has high accuracy of the calculation result, is convenient to use and easy to master, can further reduce the experiment times of actually turning the particle reinforced titanium-based composite material, provides a simple and convenient method for selecting the process parameters, and accelerates the optimization process of the processing technology.)
技术领域
本发明涉及机械加工领域，具体是一种基于ABAQUS的颗粒增强钛基复合材料车削过程仿真方法。
背景技术
钛基复合材料是以钛合金为基体，在其中添加碳化钛、硼化钛、氧化铝、氮化铝等晶须、颗粒或者连续纤维增强相的金属基复合材料。与钛合金基体相比，钛基复合材料具有质量轻、比强度高、抗氧化性好、耐高温、耐磨、抗蠕变、抗辐射等突出优点。相比于传统钛合金，钛基复合材料能够满足复杂环境下的特殊要求，在航空航天、电子信息、半导体照明和交通运输等领域具有极高的发展前景。
钛基复合材料是一种典型的难加工材料，其基体中的增强相具有超高的硬度、强度以及良好的高温性能。在切削加工时，增强颗粒会对刀具产生严重的犁耕、刻划等作用，降低刀具的使用寿命，影响基体表面的加工质量，导致加工成本高昂。因此，实现钛基复合材料的高效、高质量加工成为此类金属基复合材料应用的关键。
发明内容
发明目的：本发明的目的是针对现有的技术缺陷，提供了一种基于ABAQUS的颗粒增强钛基复合材料切削过程仿真方法，通过仿真的研究方法，有效弥补车削实验本身的缺陷，有限元仿真不仅可以直观、形象地呈现车削过程中刀具和颗粒增强钛基复合材料接触的界面特征，而且能够实时、方便地获取车削过程中的切削力，可以预测整个切削加工过程，对颗粒增强钛基复合材料车削过程的切削工艺参数优化、装备开发以及专用刀具硏究都具有重要意义。
技术方案：一种基于ABAQUS的颗粒增强钛基复合材料切削过程仿真方法，包括如下步骤：
步骤S1、建立颗粒增强钛基复合材料切削过程的仿真模型：所述仿真模型包括刀具模型和颗粒增强钛基复合材料模型，所述颗粒增强钛基复合材料模型包括基体模型和增强相颗粒模型；
步骤S2、通过ABAQUS仿真软件分别对建立的刀具模型、基体模型和颗粒模型定义材料属性；
步骤S3、通过ABAQUS仿真软件分别对建立的刀具模型、基体模型和颗粒模型进行网格划分；
步骤S4、对划分好网格的基体模型、颗粒模型及刀具模型进行装配、定位；
步骤S5、设置基体模型和颗粒模型之间的约束以及基体模型和刀具模型之间的约束；
步骤S6、根据切削运动特征创建分析步以及输出变量；
步骤S7、根据刀具模型相对基体模型的运动特性设置边界条件和施加载荷；
步骤S8、将通过步骤S1-S7处理的颗粒增强钛基复合材料切削过程的仿真模型提交至ABAQUS仿真软件的求解器中进行求解运算，得到运算结果。
进一步的，所述步骤S8后还包括：
步骤S9、将得到的运算结果与实际结果进行比较，若仿真不收敛，则重新执行步骤S1-步骤S8；若仿真大于差异阀值，则重新执行步骤S4-步骤S8。
进一步的，所述步骤S5具体内容为：
将颗粒增强钛基复合材料模型中的基体模型与颗粒模型进行绑定，将绑定好的颗粒增强钛基复合材料模型根据基体模型和刀具模型之间的接触状态定义基体模型和刀具模型之间的摩擦及约朿。
进一步的，所述步骤S6包括：
步骤S61.对基体模型施加全约束的边界条件；
步骤S62.控制刀具模型的运动，在刀具模型的x轴方向施加速度约束，并在历史变量中定义车削过程中的切削力；在场变量中定义位移、速度、加速度、应力、应变。
进一步的，所述步骤S2中对基体模型和刀具模型定义材料属性是通过ABAQUS仿真软件中的Property模块定义的。
进一步的额，所述步骤S4中，将基体模型和颗粒模型装配成工件形状的颗粒增强钛基复合材料模型是通过ABAQUS仿真软件中的Assembly模块装配的；
所述步骤S5中，将基体模型与颗粒模型之间进行约束是通过ABAQUS仿真软件中的Interaction模块绑定的。
进一步的，所述步骤S3中将刀具模型和基体模型相接触的区域采用细网格而距离偏远的区域采用粗网格。
有益效果：
1)现有技术中，车削颗粒增强钛基复合材料时，切削参数对切削效果有很大的影响；切削参数不同，切削过程中产生的切削力、材料的破损等都会发生变化，在进行颗粒增强钛基复合材料车削研究时，实验复杂、繁琐且成本高；
本发明的本发明的仿真方法不同于实验的复杂、繁琐，操作简单，只需在软件中改变数值重新计算，计算结果准确性高，而且该软件使用方便，易掌握。进而可以减少真实车削颗粒增强钛基复合材料的实验次数，节省时间及成本，快速、准确的获取切削过程中的切削力及材料的微观破损形貌等，为工艺参数的选择提供一份简便的方法，加快加工工艺的优化进程；
2)本发明使用ABAQUS有限元分析软件，以刀具实际车削颗增强钛基复合材料为依据，对颗增强钛基复合材料车削过程进行仿真模拟，仿真结果形象、直观、准确、可信度高，可以得到实验中较难得到的数据，而且可以对整个加工过程进行预测，也对实践有很高的指导价值。
3)本发明的方法是可以推广到其他复合材料中的，而且也可以使用其他仿真软件按照相似的方法对这些材料进行有限元分析。
附图说明
图1为本发明仿真方法的流程图；
图2为本发明刀具模型和颗增强钛基复合材料仿真模型示意图；
图3为本发明对刀具和颗增强钛基复合材料赋予材料属性、网格划分、装配、约束、设置边界条件后的仿真模型示意图；
图中标号：1、基体模型；2、颗粒模型；3、刀具模型。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于ABAQUS的颗增强钛基复合材料车削过程仿真方法。
本实施例提供一种基于ABAQUS的颗增强钛基复合材料车削过程仿真方法，如图1所示，包括步骤：
步骤S1、建立颗增强钛基复合材料车削过程的仿真模型；其中，所述仿真模型包括增强钛基复合材料基体模型、增强相颗粒模型和刀具模型；
步骤S2、通过ABAQUS仿真软件分别对建立的基体模型、颗粒模型和刀具模型定义材料属性；
步骤S3、通过ABAQUS仿真软件分别对建立的基体模型、颗粒模型和刀具模型进行网格划分；
步骤S4、对划分好网格的基体模型、颗粒模型和刀具模型进行装配、定位；
步骤S5、设置基体模型和颗粒模型之间的约束以及基体模型和刀具模型之间的约束；
步骤S6、根据车削运动特征创建分析步及输出变量；
步骤S7、根据刀具模型相对基体模型的运动特性设置边界条件和施加载荷；
步骤S8、将通过步骤S1-步骤S7处理颗粒增强钛基复合材料切削过程的仿真模型提交至ABAQUS仿真软件的求解器中进行求解运算，得到运算结果；在ABAQUS仿真软件的后处理模块中查看切削力、应力-应变、材料破损，结合实验及实际切削，对运算结果进行分析和评价。
步骤S9、将得到的运算结果与实际结果进行比较，若仿真不收敛，则重新执行步骤S1-S8；若仿真大于差异阈值，则重新执行步骤S4-S8。
本实施例中，ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料，作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结构(应力/位移)问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析(流体渗透/应力耦合分析)及压电介质分析。
其中，ABAQUS包括Part部件功能模块、Property特性功能模块、Assembly装配功能模块、Step分析步功能模块、Interaction相互作用功能模块、Load载荷功能模块、Mesh网格功能模块、Job分析作业功能模块、Sketch绘图功能模块、Visualization后处理功能模块。
在本实施例中，仿真时，采用均质网格划分法。车削过程中，颗粒增强钛基复合材料模型通过夹具夹持在机床上，可将颗粒增强钛基复合材料模型的底面看作是完全固定的，有限元仿真时对颗粒增强钛基复合材料模型的底面施加全约束的边界条件。
刀具车削颗粒增强钛基复合材料过程用ABAQUS软件进行仿真，颗粒增强钛基复合材料车削过程中刀具形状一定，热载荷变化不大，且仿真时切削加工参数容易控制，因此颗粒增强钛基复合材料车削仿真建模主要考虑材料本构关系、硬质颗粒断裂方式、刀具与颗粒增强钛基复合材料之间的摩擦特性。该发明的方法是可以推广到其他复合材料中的，而且也可以使用其他仿真软件按照相似的方法对这些材料进行有限元分析。
在步骤S1中，如图2所示建立颗粒增强钛基复合材料车削过程的仿真模型；所述仿真模型包括颗粒增强钛基复合材料模型和刀具模型3，所述颗粒增强钛基复合材料模型包括基体模型1和增强相颗粒模型2，刀具的相关尺寸按照实际生产的刀具尺寸进行建模。
在本实施例中，基体、颗粒和刀具的二维模型可以直接在ABAQUS中建立，也可以在其他建模软件中建立，然后导入ABAQUS中。本实施例选择直接在ABAQUS中进行建模，长度选择μm作为单位，且后面都用同级量纲。
本实例中选用的增强相颗粒为碳化钛(TiC)颗粒，熔点3140℃，沸点4820℃，相对密度4.93，硬度9-10，灰色金属光泽的结晶固体，质硬，硬度仅次于金刚石，弱磁性，是硬质合金的重要成分，可用作金属陶瓷，还可用来制造切削工具，具有高硬度、耐腐蚀、热稳定性好的特点。
在步骤S2中，通过ABAQUS仿真软件分别对建立的基体模型、颗粒模型和刀具模型定义材料属性。
刀具、基体和颗粒的二维模型建立好后，需要在ABAQUS仿真软件的Property特性功能模块中分别对三者的二维模型定义材料属性，这样才能进行物理量的仿真分析。
在本实施例中，颗粒多且杂乱，因此可以进行单颗粒仿真并且对颗粒和基体形状进行简化，这就简化了仿真。考虑到颗粒增强钛基复合材料的特性以及刀具的性能，刀具采用PCD金刚石刀具。本实施例中基体模型选用的基体材料、颗粒模型中选用的颗粒材料以及刀具模型中选用的刀具材料的性能参数见表1：
表1基体材料和颗粒材料以及刀具材料的性能参数
材料变形过程中应力、应变和温度之间的关系依靠材料本构模型来描述，同时，材料本构模型也间接反映了材料的力学性能。正确选择材料本构模型是切削有限元仿真的关键因素。目前，由于Johnson-Cook(简称J-C)材料本构模型全面考虑了应变强化、应变率强化以及热软化作用对材料的影响，被广泛应用于金属材料切削仿真过程研究中。因此，本模型采用J-C材料本构模型对PTMCs基体材料Ti-6Al-4V钛合金的应力应变关系进行描述，其方程如下：
式中，σ和ε为流动应力与应变；
A为室温下材料准静态屈服强度；
B和n为材料应变强化作用常数；
C为应变率强化作用常数；
Tr为室温，
Tm为材料熔点，
m为材料热软化作用常数。
基体材料Ti-6Al-4V钛合金的J-C本构模型的参数见表2；
表2 Ti-6Al-4V钛合金的J-C本构模型参数
A/MPa
B/MPa
C
n
m
Tm/℃
Tr/℃
875
793
0.01
0.386
0.71
1560
20
在步骤S3中，通过ABAQUS仿真软件分别对建立的基体模型、颗粒模型和刀具模型进行网格划分。
划分网格是有限元分析中最重要的一步，网格密度、网格类型以及网格划分技巧直接决定有限元仿真的成败并且影响着仿真精度和仿真效率。
在本实施例中，将刀具模型和基体模型相接触的区域采用细网格而距离偏远的区域采用粗网格，如图3所示。
在步骤S4中，对划分好网格的基体模型、颗粒模型和刀具模型进行装配、定位。
将基体模型和颗粒部件模型装配成工件形状的颗粒增强钛基复合材料模型是通过ABAQUS仿真软件中的Assembly模块装配的。
在步骤S5中，设置基体模型与颗粒模型的约束以及基体模型和刀具模型之间的约束。
在Assembly装配功能模块中装配好的颗粒增强钛基复合材料模型结构，只是空间意义上的模型结构，基体模型和颗粒模型之间是孤立的，需要在Interaction相互作用功能模块中将基体模型与颗粒模型进行绑定。将颗粒增强钛基复合材料模型中基体模型和颗粒模型绑定好后，再根据基体材料和刀具之间的接触特点定义两者之间的摩擦及约束。由于本发明方法针对颗粒增强钛基复合材料而非刀具的磨损及变形，则刀具设置为刚性体，这样既可以减少分析计算时间，也可以提高计算结果的准确性。
在本实施例中，在切削过程中，刀具的变形很小，则设置刀具参考点并对刀具施加刚体约束；对相互接触的颗粒模型与基体模型接触面绑定在一起形成真正意义上的颗粒增强钛基复合材料。根据刀具切断颗粒增强钛基复合材料后刀具与颗粒增强钛基复合材料之间的接触状态，应用库伦摩擦定律来定义两者之间的摩擦特性，摩擦系数f＝0.2。
在步骤S6中，根据车削运动特征创建分析步及输出变量。
根据车削运动特征选用显示动态分析步，此外在历史变量中定义车削过程中的切削力，在场变量中定义位移、速度、加速度、应力、应变等。
在本实施例中，创建分析步及输出变量过程如下：
步骤S6.1、初始分析步：对基体模型施加底面的全约束的边界条件；
步骤S6.2、第一个分析步：控制刀具运动，如图3所示，X向施加速度约束；此外在历史变量中定义车削过程中的切削力，历史变量的输出只要针对刀具参考点即可；在场变量中定义位移、速度、加速度、应力、应变等，而场变量的输出针对整个二维模型。
在步骤S7中，根据刀具模型相对基体模型的运动特性设置边界条件和施加载荷。
在步骤S8中，将通过步骤S1-步骤S7处理的仿真模型提交至ABAQUS仿真软件的求解器中进行求解运算，得到运算结果。
将前面建立的仿真模型提交到ABAQUS求解器进行求解运算，运算完成后在ABAQUS仿真软件的后处理模块中查看切削力、应力-应变、材料破损等，结合实验及实际切削，对运算结果进行分析和评价，如果仿真结果与实际结果相差较大或者在运算过程中结果不收敛，则重新回到步骤S1，改变仿真模型重新进行运算，直到仿真结果与实际结果相近；若仿真结果接近实际结果，则回到步骤S4，改变切削工艺参数，通过切削力、材料破损等找到最合适的切削工艺参数组合。
本实施例不同于实验的复杂、繁琐，操作简单，只需在软件中改变数值重新计算，计算结果准确性高，而且该软件使用方便，易掌握。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。