基于ABAQUS的高速切削切屑形成过程的有限元模拟
基于有限元分析软件ABAQUS的Johnson-Cook材料模型以及断裂准则模拟高速切削淬硬钢锯齿状切屑形态,并讨论刀具前角和锯齿状切屑形态对切削力的影响。研究表明仿真结果和试验结果是一致的,文中介绍的有限元模拟方法可以准确地模拟并预测高速切削淬硬钢时的切屑形成过程。刀4有限元模拟及试验结果将有限元模拟仿真预测的切屑形态与试验结果进行比较,如图2、图3、图4所示。预测的切屑形态结果以积分点处等效塑性应变( equivalent plastic strain,PEEQ)的形式显示。由图中可以看出,有限元预测的切屑形态与试验结果非常接近。图中PEEQ的最大值随刀具前角从-10°改变到10而逐渐减小,说明主剪切(a)锯齿状切屑显微照片(b)锯齿状切屑形态有限元模拟结果区内的切屑变形也随刀具前角的增大而减小。刀具前(a) A micrograph of(b) fe simulation result of serrated角对切屑形态有重要影响,当使用负前角时容易形成serrated chipchip morphology锯齿状切屑。图4锯齿状切屑形态有限元模拟仿真与试验结果的对比(Fig 4 Comparison between experimentally and numerically obtained80.70.6hI号0.5H总0.4(a)锯齿状切屑显微照片(b)锯齿状切屑形态有限元模拟结果(a)a micrograph of(b)fe simulation result of serrated肥0.2●试验结果 Experimental resulserrated chipch0:→摸拟结果 Simulation result图2锯齿状切屑形态有限元模拟仿真与试验结果的对比(yo=-10)1010Fig 2 Comparison between experimentally and numerically obtained刀具前角 Tool rake angle(°)chip morphology (Yo =-10)图5不同刀具前角条件下的锯齿化程度Fig 5 Sawtooth degree under different tool rake angles4000003600320.l6000012000(a)锯齿状切屑显微照片(b)锯齿状切屑形态有限元模拟结果4000(a)A microgram(b)FE simulation result of serrated0.000.050.100.150.20serrated chchip morphology时间Time×103/s图3锯齿状切屑形态有限元模拟仿真与图6锯齿状切屑形成时的切削力波动(y6=-10)试验结果的对比(y0=0)Fig 6 Efect of tool angle on the cutting force(%o =-10Fig 3 Comparison between experimentally and numerically obtained加而逐渐降低。刀具前角对切削力也有很大影响,如图6、图7和图8所示,平均切削力F的值随着刀具刀前通常使用锯齿化程度C9表示锯齿状切屑变形和角的增加而逐渐降低。切屑形态。Gs的定义如下Gs =(H-h,)/h(4)5结论Gs的测量方法如图2所示,Gs与刀具前角之间的关系本文的目的在于预测高速切削过程中的切屑形如图5图5说明模拟结果与试验结果符合很好,当切态。使用适合高速变形条件的 Johnson-Cook材料模削速度和进给量一定时,锯齿化程度随刀具前角的增型、断裂准则和 ABAQUS有限元软件,模拟并测量高速0.80LIU Zhan Qiang, WAN Yi, AI Xing. Cutting forces in High Speed Milling[J]. China Mechanical Engineering, 2003, 14(9): 734-737( In Chix0.60[2]Kishawy H A. An experimental evaluation of cutting temperature duringhigh speed machining of hardened D2 tool steel[ J]. Machining Science0.40and Technology, 2002, 6(1): 67-79[3]刘战强,艾兴.高速切削刀具磨损表面形态研究[门摩擦学学〓0.20报,2002,22(6):468-471RLIU Zhan Qiang, Al Xing. Wear characteristics of cutting tools in high尽0speed machining[J]. Tribology, 2002, 22(6): 468-471( In Chinese)0.000.050.100.150.20[4]赵文祥,龙震海,王西彬,等.高速切削超高强度钢时次表面层时间 Time x103/s的组织特性研究[J.航空材料学报,200,25(4):2025图7锯齿状切屑形成时的切削力波动(y0=0)ZHAO Wen Xiang, LONG ZhenHai, WANG XiBin, et al. Study on theFig7 Effect of tool angle on the cutting force(yo =00)metallurgical structure characters of sub-surface layer of ultra-high strength0.80alloy steel in high speed milling condition[J]. Joumal of Aeronautical MEterials, 2005, 25(4): 20-25( In Chinese)[5] Sung H R, Soo-Ik 0. Prediction of serrated chip formation in metal cutting0.60process with new flow stress model for AISI 1045 steellJ]. Joumal of Ma-terials Processing Technology, 2006,171: 417-4220.40[6】赵军,孟辉,王素玉,等.高速切削锯齿状切屑的有限元模拟[.工具技术,2005,39(1):29-310.20ZHAO Jun, MENG Hui, WANG SuYu, et al. Finite element simulatinganalysis of serrated chip formation in high speed cutting[J]. Tool Engi-0ing,2005,39(1):29-31( In Chinese)早0.000050.100.150.20时间 Time x103/s[7]Christian H, Svendsen B. Simmlation of chip formation during high-speed图8锯齿状切屑形成时的切削力波动(=10)cutting[ J]. Joumal of Materials Processing Technology, 2007, 186: 66Fig8 Effect of tool angle on the cutting force(%o = 100)[8] Klocke F, Raedt H W, Hoppe S. 2D-deform simulation of the orthogonal切削AISI4340钢过程中不同刀具前角条件下的切屑high speed cutting process[]. Machining Science and Technology, 2001形态和切削力,讨论刀具前角和切屑形态对切削力的5(3):323-340.影响。研究结果表明,模拟结果与试验结果能很好地9)]shkH,AbeE, Sahm a. Material aspects of chip formation in HSC相符。因此,本文使用的有限元模拟方法可以准确预machining[ J]. Amals of the CIRP- Manufacturing Technology, 2001, 50(1)测高速切削淬硬钢时切屑形成过程。参考文献( References)[1]刘战强,万熠,艾兴.高速铣削中切削力的研究[J.中国机械工程,2003,14(9):734-737.
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矩形优化排样
主要研究矩形零件的排样方法，遗传算法的用途在此处体现的淋漓尽致本文算子的选择是有效的为进一步验证算法,对零件数量从16~97的不同算例进行试验,每类有3个例子,其最优排放图均已知,各个算例的基本试验数据(零件数量,板材尺寸)和本文试验最好结果见表2,表2算例2的基本试验数据及本文试验结果Tab 2 Dimension of second exampleand best result given by this paper问题零件最优高度原最优板材所得最低高度()SA+文算法结果(b)SA+最低水平线算法结果种类数量mm尺寸/mmmm2020×2020图1算例1的排放图40×15Fig 1 Layout of first example2860×3032表1本文算法与最低水平线算法排样结果对比C4496060×6064Tab. 1 Difference between our algorithm and7360×90the lowest outline algorithm9712080×120129最小高度最小高度最大高度平均高度运行时间图2给出了部分算例的最好排放结果。 Hopper算法/mm出现频次/mm/mm/ms8. Turton对以上规模不同的矩形件采用BL、BLFSA+最低水平线481/5053.716算法进行排放,允许零件旋转90°,GA、NE、SA、HCSA+本文方法483/505 I48.6等算法搜索排放顺序。文中指出采用BLF排放效果优于BL算法10%~30%,采用SA+BLF算法所得4.2算例2结果最优,见表3。(a)C11(b)C41(c)C61图2算例2采用本文算法所得的排放图ig 2 Best layout of second example with our algorithm表3各类别实例的相对距离百分比1表4各实例运行时间对比表Tab3 Relative distance of best solution toTab 4 Average elapsed time foroptimum height for six cases%six cases with different algorithm问题种类BIBLF SA+BLF本文算法问题A+BLFSA+本文算法174种类ms162.824126.7C41816132120C657.5注:1)表中值表示所得最好结果U与最优值lO)pt差值的白分比C61528189447(U-Op:)/lOpt。宇航材料工艺2007年第4期17对比表2、表3知,本文算法和文献[6]中采用图3表明:矩形排放耗时10ms,经人机交互调BLF解码的综合算法结果相近,并且在零件数量较整后材料利用率为86.4%,比人工排样提高约11少(如n=16)时能获得最优解,与埋论分析一致;由8%。表4知,本文算法的运行时间大大少于BLF算法,这5结论是因为在排放R;时只需搜索当前轮廓线段,比BLF实际算例表明最低轮廓线搜索算法能有效地进算法(搜索所有空域区域)搜索空间减少,因此效率明行矩形件排放,与模拟退火算法相结合,能在较短时显提高。由于文献[6的运行环境是:处理器奔腾间内获得与BLF算法相近的排放结果,并且在零件200MHκ,RAM65M, Windows nt4.0;而本文运行数量较少时能获得最优解,是解决大规模矩形件排放环境为:CPU2.8GHz,RAM512M,其速度大约是问题的有效方法200MHz处理器的15倍,因此表4所给BLF混合算参考文献法的运行时间做了相应处理。可见采用轮廓搜索法1张丽萍,张春丽,蒋寿伟.皮料优化排样的有效方法与BLF算法可获得相近的排放效果,但前者效率明软件学报,2005;16(2):316~323显高于后者。文献[7采用启发式递归(HR)算法对2曹炬,周济,余俊.矩形件排样优化的背包算法.中国以上算例进行求解,大大提高了运行效率,但在零件机械工程,1994;5(2):11~12数量较多时其速度也明显低于本文算法。因此最低3曹炬.二维异形切割件优化排样的拟合算法.中国机轮廓搜索法可用于求解大规模矩形件的排样问题。械工程,2000;11(4):438~4414.3应用举例1 Jakobs S On genetic algorithms for the packing of针对不规则复合材料铺层,采用矩形包络法求出 polygons,Eur. of oper,Res.,1996881):165-181其包络矩形,然后采用上述算法进行排放。图3是飞5贾志欣.面向发电设备制造的下料优化排样原理与关机坐舱罩顶棚的铺层展开数据采用以上策略获得的键技术,四川大学博士学位论文,2002排放图。6 Hopper E, Turton B C H. An empirical investigationof meta-heuristic and heuristic algorithms for a 2D packingproblem. EurJ of Oper Res, 2001; 128(1): 34577 Zhang Defu, Kang Yan, Deng Ansheng. A new heuristicrecursive algorithm for the strip rectangular packing problemComputers &. Operations Research, 2006; 33(8): 2209-2 217图3复合材料铺层排放实例(编辑李洪泉)ig. 3 Layout for composites plys18宇航材料工艺2007年第4期矩形件优化排样的研究旧万数据WANFANG DATA文献链接作者:邓冬梅,厝米水,安鲁陵,王桂宾, Deng Dongmei, Zhou laishui, An Luling,Wang guibin作者单位:南京航空航天大学机电学院,南京,210016刊名宇航材料工艺sTc|PKU英文刊名:AEROSPACe mATERIALS technology年,卷(期):2007,37(4)被引用次数4次惨考文献(条)1.张丽萍.张春丽.蒋寿伟皮料优化排样的有效方法[期刊论文]软件学报2005(02)2.曹炬.周济.余俊矩形件排样优化的背包算法[期刊论文]中国机械工程1994(02)3.曹炬二维异形切割件优化排样的拟合算法「期刊论文]中国机械工程2000(044.Jakobs S On geretic algorithms for the packing of polygons 1996 (05.贾志欣面向发电设备制造的下料优化排样原理与关键技术[学位论文]20026. Hopper E Turton B C H An empirical investigation of meta-heuristic and heuristic algorithms for a 2Dpacking problem 2001(01)7. Zhang Defu. Kang Yan. Deng Ansheng A new heuristic recursive algorithm for the strip rectangularpacking problem 2006 (08)相似文献(1条)1.学位论文邓冬梅复合材料铺层排样抆术硏究与开发2007复合材料因其比强度高、比模量大、材料的刚度和强度可设汁等一系列优点,在航空航天领域得到广泛应用,但高昂的价咯成了复合材料应用的最大壁垒。国外的硏究和应用成果表明数字化技术是降低复合材料构件制造成本、提高构件性能的有效途径。目前国内主要还以手工没计和手工制造为主、自动化程度不高,不仅浪费人力、物力,而且产品质量难以保证,因此有必要对复合材料数字化技术进行研究。优化排样是复合材料构件数字化生产过程中的重要环节。本文在研宄各种排样算法的基础上,提岀丁新的矩形件排样算法、优化算法以及不规则样片的排样算法,并与复合材料铺层排样的特点相结合开发了复合材料铺层排样软仁。主要研究内容和创新点如下矩形件排样不仅适用于矩形样片的排放,也是不规则样片排咩的基础。本文在建立矩形件排样数学模型的基础上,介绍了各种常见的定序列矩形件排样算法并分析其特点,提出了一种新的启发式排样算法——最低轮廓线搜索算法。该算法满足“最下最左”条件,克服了其他排样算法对某些排栏图不能给出排列的缺点,实验结果表明该算法排样效果好于最低水平线算法和最下最左(BL)算法。利用该算法实现了大量不同规格图纸的集中出图,省时省力,节约氏张2050%。矩形件排样问题具有图形运算和组合优化两方面的特性,单纯的排样算法只能解决图形运算问题,样片的排放顺序对排样结果同样重要。针对较小规模(一般少于100个图形)的矩形件排样问题,本文提岀了模拟退火与最低轮廓线搜索算法相结合的综合优化算法。对于十多个图形的排样,该算法可短时间内求得最优舾:对于近百个图形的排样,在排样效果相当旳情冮下,该亥算法比其基于模拟退火的综合优化算法效率提髙百以饣。针对大规模矩形件排样问题本文提出了蚁群笪法与最低轸廓线搜索算法相结合旳综合优化算法,该算法比模拟退火与最低轮廓线算法相结合的综合优化算法效率提高十倍以上。不规则图形排栏是所有排样研究中的热点和难点。本文将不规则样片简化成多边形进行排样,提出了两种不同的解法方法:一是基于矩形的排样方法,二是直接对多边形进行排样。基于矩形求解不规则样片排样时,将图形运算、矩形件排样算法及交互调整相结合,提出了基于矩形的多边形综合排样算法。通过各种优化组合策略,对单一样片和多种样片进行组合求其最小包络矩形,从而将不规则形状样片排样转化为矩形件排样进行求解。直接冄放多边形时,重点研究两个多边形的临界多边形(NFP)的求解。首先对基于倾斜图法的NFP求解法进行了改进和优化,完善了凹、凸两多边形NFP的求解,然后提出了适用于任意两多边形N求解的边界绕行法,该方法比基于倾斜图的求解方法适用范围广,计算简单、效率高。根据复合材料构件数宇化生产的主要过程,分析总结了复合材料铺层排样的特点,并将伉化排样算法与复合材料铺层排样的特点相结合,设计丌发了复合材料构件铺层排栏软件系统。引证文献(3条)1.卢远志杨建新.文桂林.周兵.钟志华基于排样思想的工程图坐标尺寸防干涉方法[期刊论文]中南大学学报(自然科学版)2010(2)2.张伟.安鲁陵.邵挠眀.郑盈一种矩形件分层排样算法[期刊论文]宇航材料工艺2010(1)3.陈婷.许超钣金零件排样技术及其发展[期刊论文]锻压装备与制造技术2008(4)本文链接http://d.wanfangdata.comcn/periodicAlyhclgy200704005.aspx授权使用:广东工业大学图书馆( gdgydxtsg),授权号:4flc88c5-bfdd-4dec-8ebf-9ec501113fe6下载时间:2011年4月14日
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