基于BCJ本構(gòu)模型的高速切削過程數(shù)值模擬研究.pdf

1、高速切削加工技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今生產(chǎn)加工的重要工藝之一，其技術(shù)特點是加工效率高，并且加工工件的表面質(zhì)量高，甚至達到了磨削的水平，因而在航空航天工業(yè)中廣泛應(yīng)用，尤其是在鋁合金大型整體薄壁件的制造中發(fā)揮著重要的作用。有限元模擬技術(shù)是研究高速切削過程的重要途徑，但目前國內(nèi)在高速切削數(shù)值模擬中多采用一些經(jīng)驗或半經(jīng)驗的本構(gòu)模型，這些本構(gòu)模型無法描述高速切削過程中材料經(jīng)歷的復(fù)雜變形行為，從而影響計算精度。選取更適用于描述切削過程材料變形行為的本構(gòu)模型進

2、行高速切削過程數(shù)值模擬具有重要的意義。
　　本文通過對用戶材料子程序VUMAT接口進行二次開發(fā)，將BCJ本構(gòu)模型嵌入通用有限元軟件 ABAQUS中，并建立二維正交直角高速切削有限元模型，實現(xiàn)了鋁合金高速切削過程數(shù)值分析。
　　1. BCJ本構(gòu)模型嵌入ABAQUS軟件的VUMAT開發(fā)
　　在高速切削過程中材料的變形行為非常復(fù)雜，為了實現(xiàn)對材料動態(tài)性能更為精確的描述，引入了基于位錯動力學(xué)的BCJ本構(gòu)模型。詳細闡述了BCJ本

3、構(gòu)模型相比于其它經(jīng)驗、半經(jīng)驗本構(gòu)模型的特點和優(yōu)勢，完成了基于ABAQUS平臺的BCJ本構(gòu)模型嵌入VUMAT的算法研究和程序?qū)崿F(xiàn)，并進行了BCJ本構(gòu)模型用戶子程序的驗證。單拉試驗過程模擬結(jié)果說明，嵌入的BCJ本構(gòu)模型用戶子程序是正確的。
　　2.高速切削過程數(shù)值模擬的自適應(yīng)網(wǎng)格建模方法研究
　　探討了熱力耦合切削數(shù)值模擬中一些關(guān)鍵技術(shù)問題，包括切屑分離、切削熱的產(chǎn)生問題以及自適應(yīng)網(wǎng)格劃分的相關(guān)問題。在自適應(yīng)網(wǎng)格建模方面，結(jié)合鋁

4、合金高速切削的具體情況，對比研究了任意拉格朗日-歐拉(ALE)和分離線(FZA)兩種建模方法的差異性，并采用二維正交直角高速切削模型，完成了鋁合金高速切削過程數(shù)值模擬。這兩種網(wǎng)格建模方法在切削熱和切削力上預(yù)測非常相似，切屑帶形態(tài)預(yù)測上，F(xiàn)ZA方法得到的有明顯的鋸齒狀，ALE方法是連續(xù)形態(tài)的。而鋁合金車削切屑顯微照片對比表明，F(xiàn)ZA方法在預(yù)測切屑形態(tài)方面更為準確。
　　3.基于BCJ本構(gòu)模型的鋁合金高速切削過程數(shù)值模擬研究
　

5、　針對BCJ本構(gòu)方程待定材料參數(shù)復(fù)雜性的特點，建立了借助Matlab優(yōu)化工具箱獲取其材料參數(shù)的方法，完成了基于JC本構(gòu)模型和BCJ本構(gòu)模型的鋁合金高速切削過程數(shù)值模擬。結(jié)合7075-T651鋁合金車削試驗，分析了BCJ本構(gòu)模型在高速切削數(shù)值模擬方面的優(yōu)勢。與JC本構(gòu)模型相比，BCJ本構(gòu)模型預(yù)測等效應(yīng)力、切削力、溫度更符合實際。BCJ本構(gòu)模型能夠?qū)崿F(xiàn)高速切削過程更為精確的計算。
　　本文開發(fā)了基于BCJ本構(gòu)模型的用戶子程序VUMAT