基于ANSYS_LS-DYNA的金属切削过程有限元模拟

１７４农业机械学报

的前后处理功能和ＬＳ—ＤＹＮＡ的非线性求解功能的特点，可以方便、准确地进行切削过程的有限元模拟分橱。本文剩用有限嚣软件ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ进行金属切削过程的模拟研究。

ｌ有限元模型

ｌ。ｌ模拟算法

在ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ中可以选择Ｌａｇｒａｎｇｅ、Ｅｕｌｅｒ和Ａ乙Ｅ（任意Ｌａｇｒａｎｇｅ和Ｅｕｌｅｒ方法）３种算法。Ｌａｇｒａｎｇｅ方法用予固体分析，有限元网格巍材料单元组成，所有的网格准确地描述了所分析物体酶咒搿形状。这狰方法在模拟材辫盼无约束滚动时是很方便的，但是这种方法存在着切屑分离的模拟问题，还有凌属形成以詹酶网格重新划分的闰题。Ｅｕｌｅｒ方法更适合在一个可以控制的体积内描述流体的变形。在切削加工中，切屑成形后的形状是不犀定的，蒯熙Ｅｕｌｅｒ方法米模拟存在一定的爨难，因为需不断地调整空间的网格来描述边界条件。ＡＬＥ方法最初出瑰予数缀摸拟流俸动力学离题麓有限差分方法中，兼具Ｌａｇｒａｎｇｅ方法和Ｅｕｌｅｒ方法二者特长。本文选用Ａ己Ｅ方法作为模拟算法。

１．２材料模型

有限元模型的建立需综合考虑金属切削变形理论、翅性理论以及有限元理论。在切削过程中，切削宽度一般是切削厚度的３倍以上，因此可以把它作为二维平磷应变进行处理。另外，由予刀具的硬度比工件的硬度高得多，因此在建模时，将刀具看作刚体，王｛孛看成是撵塑性体。刃舆材料的变形按照弹性变形计算，而工件材料的变形按照弹塑性变形进行计算。由此，工｛牛采焉大应变弹塑性单元进行弹塑性分析；刀具采用弹性单元进行弹性分析。考虑到前刀面与切屑以及后刀面与工件＿之间存在的摩擦，设定各个接触西的摩擦因数为ｏ．４。为了使模拟更舆有代表性，本文选取Ｑ２３５钢作为工件材料，取硬质合金ＷＣ—ＺｉＣ—Ｔ袅Ｃ—ｅ◇作势刃具材料。

工件材料模型取为随动硬化模型［９］

ｆ，。，王’

拶＝ｌ１＋ｆ丢ｌＰｆ（舶＋ｐ踟ｅＰ）

Ｌ＼ｏ，一

ＦＦ‘

其中ＥＰ一嚣

式幸盯——有效应力￡Ｐ——有效塑性应变氏——初始屈服应力耋——应变率

Ｃ、Ｐ——应变率参数

≯——应交硬化参数昱。——切向模爨

ＥＰ——塑性硬化模量Ｅ——弹性模量刃具采用刚体模型，工件穰刃具输入参数见表ｌ。

表ｌ工镎程刃囊模鍪豹臻入参数

Ｔａｂ．１Ｉｎｐｕｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆ、节ｏｒｋｐｉｅｃｅａｎｄｔｏｏｌｍｏｄｅｌ

ｌ。３Ａ何搂型翻隧格划分

采用直角自由切削，建立如图ｌ所示的二维有

限元模鳌。工件分成２个部分，主部被囊分为垂◇ｏｏ

个单元，下部划分成１０ｏｏｏ个单元；为了进一步减

少求解所厢时间，刀具设为刚体，分成１５个单元。工

件的礁都约束Ｘ和ｙ鼯个自由度，左侧约束Ｘ自

由度，刀具约束ｙ方向自由度和３个方向的旋转自

由度。这稷实际甥削过程孛酶约束条馋基本一致。

銎ｌ壹兔甥割躬露限元摸型

Ｆｉｇ．１Ｋｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｃｕｔｔｉｎｇ

王．４分离准则

金属切削过程有限元模拟的分离准则主要分为

几何准尉穰物理准则。几何分离凌剥是戳乃尖与乃

尖前单元节点的距离定义的。假定在预定义加工路

径上此距离小于某个临界值时，该节点被分成２个，

其中一个节点沿翦刀露向上移动，另一个保留在加

工表面上。其优点是简单，但是没有物理学基础，且

壹予没有统一标准，准确性差。物理标准是以刀尖翦

单元节点的物理量定义的，如应变、应力、应变能等，

当单元孛荛辇选定物理量的值超过给定榜料的裙应物

理条件时，即认为单元节点分离。采用物理准则使得

金属留削的有限元模拟研究更接近实际情况，谶此

本文采用有效应变作为切屑分离准则。

１．５加载计算

在刀具上加水平急左的位移载萄，使碍刃具以

恒定的速度向左移动，产生刀具的运动，通过

基于ANSYS/LS-DYNA的金属切削过程有限元模拟

作者：李国和， 王敏杰， 段春争， Li Guohe， Wang Minjie， Duan Chunzheng

作者单位：大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室 116024 大连市

刊名：

农业机械学报

英文刊名：TRANSACTIONS OF THE CHINESE SOCIETY FOR AGRICULTURAL MACHINERY

年，卷(期)：2007,38(12)

被引用次数：9次

参考文献(9条)

1.Xie J Q;Bayoumi A E;Zbib H M FEA modeling and simulation of shear localized chip formation in metal cutting[外文期刊] 1998(09)

2.Zhang Liangchi On the separation criteria in the simulation of orthogonal metal cutting using the finite element method[外文期刊] 1999

3.Movahedy M;Gdata M S;Altintas Y Simulation of the orthogonal metal cutting process using an arbitrary Lagrangian-Eulerian finite-element method[外文期刊] 2000(02)

4.Liu C R;Guo Y B Finite element analysis of the effect of sequential cuts and tool-chip friction on residual stresses in a machined layer[外文期刊] 2000(06)

5.Kim K W;Lee W Y;Sin H C A finite-element analysis of machining with the tool edge considered[外文期刊] 1999(1-3)

6.黄丹金属正交切削加工过程的有限元分析[期刊论文]-机械强度 2003(03)

7.邓文君钝圆刀刃切削的有限元模拟[期刊论文]-工具技术 2003(08)

8.汪小芳;陶伟明;郭乙木刀-屑摩擦对残余应力分布影响的模拟分析[期刊论文]-农业机械学报 2005(04)

9.尚晓江;苏建宇ANSYS/LS-DYNA动力分析方法与工程实例 2006

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1.陈志刚.周里群.黄霞春.Chen Zhi-gang.Zhou Li-qun.Huang Xia-chun基于ANSYS的金属切削过程有限元仿真[期刊论文]-凿岩机械气动工具2007(1)

2.宿崇.侯俊铭.朱立达.王宛山.SU Chong.HOU Jun-ming.ZHU Li-da.WANG Wan-shan基于LS-DYNA的金属切削加工有限元分析[期刊论文]-东北大学学报（自然科学版）2008,29(9)

引证文献(8条)

1.马建斌.李淑娟基于ANSYS/LS-DYNA的奥氏体不锈钢切削模拟[期刊论文]-机床与液压 2010(21)

2.雷成.肖守讷.罗世辉金属切削吸能过程的仿真研究[期刊论文]-煤矿机械 2013(5)

3.赵静.鲁力群.胡正寰汽车半轴楔横轧多楔成形力能参数数值模拟与实验[期刊论文]-农业机械学报 2008(6)

4.王志勇.王建平.李晓锋.朱丽君.干方建.陈海波基于ANSYS/LS-DYNA的焦面板残余应力分析[期刊论文]-组合机床与自动化加工技术 2008(9)

5.付廷辉.贾娜基于有限元模拟的单板层积材纵Ⅱ型切屑形成机理[期刊论文]-森林工程 2013(1)

6.常宁.刘国伟轨道车辆切削式吸能过程仿真[期刊论文]-中南大学学报（自然科学版） 2010(6)

7.王飞.袁大军.董朝文.韩冰.南好人.王梦恕盾构直接切削大直径钢筋混凝土桩基试验研究[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2013(12)

8.张克国.刘战强.万熠基于CFD的高速切削层流模拟[期刊论文]-航空学报 2013(3)

引用本文格式：李国和.王敏杰.段春争.Li Guohe.Wang Minjie.Duan Chunzheng基于ANSYS/LS-DYNA的金属切削过程有限元模拟[期刊论文]-农业机械学报 2007(12)