基于ALE法磨料水射流加工數(shù)值模擬.pdf

1、磨料水射流是一種新型加工技術(shù)，具有無熱效應(yīng)，高柔性，良好的表面質(zhì)量，切削力小等優(yōu)點(diǎn)。磨料水射流加工機(jī)理復(fù)雜，各工藝參數(shù)選擇和搭配對切割結(jié)果影響很大，且難以用精確的數(shù)學(xué)模型描述。目前國內(nèi)外的研究大多集中于實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，數(shù)值模擬多數(shù)針對純水射流或單磨料粒子對工件的沖擊作用，種種弊端都沒有完全反映磨料水射流的加工機(jī)理和作用效果。
　　 本文采用ALE(Arbitrary Lagrange Euler)方法建立了磨料水射流加工全過程的數(shù)值仿

2、真模型。利用LS-DYNA軟件對磨料水射流噴嘴內(nèi)流場和加工全過程進(jìn)行仿真，重點(diǎn)研究了磨料水射流噴嘴內(nèi)流場分布規(guī)律以及水射流工藝參數(shù)的變化對工件加工效果的影響規(guī)律。通過仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析驗(yàn)證了仿真模型及結(jié)果的正確性，為磨料水射流加工的仿真研究和工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的工具。
　　 首先模型結(jié)合Lagrange和Euler網(wǎng)格各自的優(yōu)點(diǎn)，其中采用Lagrange網(wǎng)格對固體工件材料建模，有效得跟蹤物質(zhì)結(jié)構(gòu)邊界運(yùn)動：采用

3、ALE網(wǎng)格對包括水和磨料在內(nèi)的流體材料及空氣介質(zhì)建模，由ALE和Lagrange兩種網(wǎng)格的耦合算法實(shí)現(xiàn)流固耦合；通過給定ALE網(wǎng)格運(yùn)動定義射流的橫移速度，網(wǎng)格可以根據(jù)定義的參數(shù)在求解過程中適當(dāng)調(diào)整位置，使得網(wǎng)格不致出現(xiàn)嚴(yán)重的畸變，大大減少網(wǎng)格定義范圍，提高了計(jì)算效率。本文提出了新的磨料本構(gòu)方程，首次對磨料水射流源施加壓力，解決了先前模擬中單純施加恒定速度而忽略噴嘴是把壓力轉(zhuǎn)化為動力的本質(zhì)特點(diǎn)。通過初始水射流源域內(nèi)磨料、水和空氣三者的體積

4、分配來實(shí)現(xiàn)同一單元內(nèi)多種物質(zhì)材料的混合。
　　 其次通過對噴嘴內(nèi)流場的數(shù)值模擬，研究了噴嘴結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)對噴嘴內(nèi)流場以及磨料水射流出口速度的影響。得到射流速度沿噴嘴徑向長度成拋物線分布，磨料粒子速度沿噴嘴軸向長度呈二次曲線分布以及射流在噴嘴不同長度處的速度分布規(guī)律。通過一定流量，壓力，錐度條件下磨料出口速度分布圖象得到噴嘴最佳長徑比。
　　 最后進(jìn)行了磨料水射流加工過程的仿真。研究了磨料水射流切割條件（參數(shù)），磨料水射流

5、特性和物料特性對彈塑性工件材料（C-17鋼）的切割深度以及加工效果的影響。重點(diǎn)研究了水源壓力，噴嘴橫移速度，噴嘴靶距，磨料質(zhì)量流量對切割深度的影響規(guī)律。得到工件上磨料水射流壓力分布狀況，水源壓力與切割深度呈正比關(guān)系，噴嘴橫移速度與切割深度呈指數(shù)下降關(guān)系等結(jié)果。著重分析了水墊效應(yīng)，即在達(dá)到一定的切割時(shí)間后，切割深度基本不變。在一定的范圍內(nèi)，切割深度隨磨料質(zhì)量流量增加而增加，但當(dāng)磨料質(zhì)量流量達(dá)到一定值后，切割深度變化率隨著流量的增加而減少。