金属切削过程有限元仿真技术

序言
前言
第1章 金属切削过程基本规律及研究方法 1
1.1 切削运动和切削用量 1
1.2 切削变形区 2
1.3 切屑的形成 3
1.3.1 切屑的形成过程 3
1.3.2 切屑的类型 4
1.3.3 研究切屑的方法 5
1.4 切削力 6
1.4.1 切削力的来源 7
1.4.2 影响切削力大小的主要因素 7
1.4.3 切削力的研究方法 8
1.5 切削热和切削温度 9
1.5.1 切削热的产生和传出 10
1.5.2 影响切削温度的主要因素 10
1.5.3 切削热和切削温度的研究方法 11
1.6 已加工表面质量 12
1.6.1 已加工表面粗糙度 13
1.6.2 表层材质变化 14
1.6.3 已加工表面质量的研究方法 15
1.7 本章小结 16
参考文献 16
第2章 金属切削过程有限元仿真技术 18
2.1 有限元法的基本思想 18
2.2 有限元法的一般分析流程 18
2.3 有限元分析的基本步骤 23
2.4 有限元分析的基本假设 23
2.5 有限元分析计算成本估计和结果评价 25
2.6 有限元技术在金属切削研究中的应用 26
2.6.1 金属切削研究中常用的有限元分析软件 26
2.6.2 有限元仿真技术在金属切削过程中的应用 28
2.7 本章小结 30
参考文献 30
第3章 基于Abaqus的金属切削过程有限元仿真 32
3.1 前处理 32
3.1.1 部件模块 34
3.1.2 属性模块 37
3.1.3 装配模块 40
3.1.4 分析步模块 41
3.1.5 相互作用模块 42
3.1.6 载荷模块 43
3.1.7 网格模块 44
3.2 模型的提交与运算和后处理 46
3.2.1 模型的提交与运算 46
3.2.2 后处理 48
3.3 基于Abaqus的金属切削过程仿真应用实例 49
3.3.1 Module：Part（部件） 50
3.3.2 Module：Property（创建材料属性） 52
3.3.3 Module：Assembly（装配） 58
3.3.4 Module：Step（分析步） 59
3.3.5 Module：Mesh（网格） 61
3.3.6 Module：Interaction（接触） 64
3.3.7 Module：Load（载荷） 68
3.3.8 Module：Job（作业） 69
3.3.9 Module：Visualization（后处理） 70
3.4 本章小结 74
参考文献 75
第4章 金属切削加工仿真常用的本构模型 76
4.1 切削过程金属变形分析 76
4.1.1 切削金属材料变形的物理性质 76
4.1.2 切削过程中材料的塑性变形 78
4.2 弹塑性材料本构模型 79
4.2.1 幂函数形式的本构方程 79
4.2.2 Johnson-Cook本构方程 80
4.2.3 Zerilli-Armstrong本构方程 80
4.2.4 Bodner-Parton本构方程 81
4.2.5 常用本构模型的应用和对比 81
4.3 Johnson-Cook本构方程参数及其求解过程 81
4.4 淬硬钢准静态压缩试验 86
4.4.1 Cr12MoV模具钢的材料属性 86
4.4.2 试验设备选择和试验试样的制备 87
4.4.3 准静态压缩试验结果分析 88
4.5 Cr12MoV模具钢的动态力学性能试验 88
4.5.1 霍普金森压杆试验原理 89
4.5.2 霍普金森压杆试验 89
4.5.3 霍普金森压杆试验结果 91
4.6 Johnson-Cook本构模型系数敏感性仿真分析 93
4.7 材料本构参数对锯齿形切屑形成影响的仿真分析 96
4.7.1 锯齿形切屑的表征 96
4.7.2 材料本构参数的仿真分析 99
4.8 本章小结 101
参考文献 101
第5章 Abaqus网格及接触摩擦处理技术 103
5.1 网格划分技术 103
5.1.1 网格种子 103
5.1.2 网格单元 105
5.1.3 网格划分技术分类及举例 112
5.1.4 网格划分问题处理 114
5.2 接触属性设置技术 116
5.2.1 定义接触面 116
5.2.2 设置接触对 118
5.3 接触属性 120
5.3.1 切向接触 121
5.3.2 法向接触 122
5.3.3 热传递 122
5.3.4 热生成 122
5.4 刚体约束 123
5.5 本章小结 124
参考文献 124
第6章 基于Abaqus的稳态切削过程仿真 125
6.1 二维稳态切削过程仿真 125
6.1.1 仿真模型的转化 125
6.1.2 有限元仿真模型的建立 125
6.1.3 切屑的形成过程 127
6.1.4 应力场分析 128
6.1.5 切削温度分析 128
6.1.6 不同刀具参数对切削力的影响分析 129
6.1.7 仿真结果验证 131
6.2 三维稳态切削过程仿真 132
6.2.1 有限元仿真模型的建立 133
6.2.2 切屑的形成过程 133
6.2.3 切削力分析 134
6.2.4 切削温度分析 134
6.2.5 仿真结果验证 135
6.3 本章小结 136
参考文献 136
第7章 基于Abaqus的非稳态切削过程仿真 138
7.1 非稳态切削仿真实现手段 138
7.1.1 Abaqus/Explicit显式算法 138
7.1.2 动态分析程序设置 138
7.1.3 稳定性 139
7.1.4 Abaqus/Explicit中的单元失效模拟 139
7.1.5 有限元模型的质量放大 140
7.1.6 准静态分析过程中的质量放大 141
7.2 二维非稳态切削过程仿真 143
7.2.1 有限元仿真模型的建立 143
7.2.2 切屑的形成过程 144
7.2.3 不同刃口对切削力的影响分析 144
7.2.4 不同刃口对切削温度的影响分析 145
7.2.5 不同刃口对已加工表面残余应力影响分析 146
7.2.6 仿真结果验证 147
7.3 非稳态切削过程三维有限元仿真 147
7.3.1 有限元仿真模型的建立 148
7.3.2 切屑的形成过程 148
7.3.3 锯齿形切屑形成过程的温度场分析 149
7.3.4 切削力的历程输出 149
7.4 本章小结 150
参考文献 150
第8章 基于Abaqus 的三维铣削过程仿真 151
8.1 建立成形铣刀几何模型 151
8.2 建立有限元仿真模型 151
8.2.1 材料及刀具特性 151
8.2.2 有限元仿真模型建立的过程 152
8.3 切屑的形成过程 162
8.4 铣刀结构对铣削力的影响 163
8.4.1 铣刀齿数对铣削力的影响 163
8.4.2 铣刀螺旋线旋向对铣削力的影响 165
8.4.3 铣刀等齿距与不等齿距对铣削力的影响 166
8.5 铣削试验与结果分析 167
8.5.1 试验条件 167
8.5.2 单因素试验设计 168
8.5.3 铣刀齿数对铣削力及振动的影响 169
8.5.4 铣刀螺旋线旋向对铣削力及振动的影响 170
8.5.5 铣刀等齿距与不等齿距对铣削力及振动的影响 171
8.6 有限元仿真结果精度的验证 173
8.7 本章小结 174
参考文献 174
第9章 切削过程刀具磨损的有限元仿真 176
9.1 刀具磨损形式 176
9.1.1 正常磨损 176
9.1.2 非正常磨损 177
9.2 刀具磨损过程 177
9.2.1 初期磨损 178
9.2.2 正常磨损 178
9.2.3 剧烈磨损 178
9.3 刀具磨损研究 179
9.3.1 PCBN刀具磨损机理研究 179
9.3.2 切削条件对刀具磨损影响的研究 182
9.3.3 刀具磨损对切削过程影响的研究 184
9.4 刀具磨损的预测 189
9.4.1 刀具磨损率模型的选择 190
9.4.2 基于有限元法刀具磨损计算程序设计 191
9.4.3 计算前、后刀面节点位移 197
9.4.4 更新刀具几何形状 199
9.5 本章小结 199
参考文献 200
第10章 基于Abaqus的参数化建模及切削工艺优化 201
10.1 Abaqus的二次开发简介 201
10.1.1 Abaqus二次开发语言及途径 203
10.1.2 Python语言在Abaqus 中的应用 203
10.2 切削过程有限元参数化建模 206
10.2.1 参数化技术概述 206
10.2.2 自定制切削参数化界面的实现 206
10.2.3 Abaqus中切削模型参数化的实现步骤 207
10.3 基于有限元仿真的切削工艺优化控制研究 212
10.3.1 优化算法介绍 212
10.3.2 切削仿真优化设计的数学模型 216
10.3.3 Abaqus与iSIGHT联合仿真技术 218
10.3.4 切削工艺优化及试验验证 221
10.4 本章小结 224
参考文献 224
第11章 有限元软件仿真结果对比 226
11.1 Deform介绍 226
11.1.1 Deform主要功能介绍 226
11.1.2 Deform-2D、Deform-3D介绍 227
11.1.3 Deform主窗口介绍 228
11.1.4 Deform的特性分析 236
11.2 Third Wave AdvantEdge介绍 236
11.2.1 Third Wave AdvantEdge主要功能介绍 237
11.2.2 Third Wave AdvantEdge主要窗口介绍 238
11.2.3 Third Wave AdvantEdge主要模块 240
11.2.4 Third Wave AdvantEdge的特性分析 251
11.3 二维切削过程仿真模型的建立 251
11.3.1 二维切削过程仿真 251
11.3.2 二维切削过程仿真结果的比较 252
11.4 三维切削过程仿真模型的建立 254
11.4.1 三维切削过程仿真 254
11.4.2 三维切削过程仿真结果的比较 255
11.5 本章小结 257
参考文献 257