[发明专利]基于多工步的金属切削加工过程的三维有限元仿真方法

权利要求书

1.一种基于多工步的金属切削加工过程的三维有限元仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据被加工工件的几何参数和切削参数建立工件的三维模型，切削参数包括进给量和切削深度；根据工件材料的特性设置工件的材料参数，包括密度、弹性模量、泊松比、热导率、比热容、热膨胀系数、非弹性热份额以及工件的JC本构模型和JC损伤失效模型；

(2)根据刀具参数建立不同刀具的三维模型，刀具参数包括前角γ0、后角α0、切削刃钝圆半径r以及刀具的长a、宽b、高c，并将刀具设置为刚体；

(3)将所建立的工件和不同刀具的三维模型按照实际加工条件进行装配，移动工件和刀具的相对位置；

(4)设置第一工步中刀具切削工件过程的分析步，采用动态热力耦合分析，根据切削速度和工件长度设置切削时间，对切削力和切削温度的输出参数进行设置，设置重启动的相关参数；

(5)对建立的模型进行网格划分，其中工件的三维模型采用六面体网格，刀具的三维模型采用四面体网格，对工件的被切削部分和刀具的刀尖部分进行网格加密；

(6)设置第一工步中刀具切削工件过程中的接触属性和边界条件；

(7)将模型第一次提交运算，保存计算结果，从中提取切削时的切削力和切削温度；

(8)将第一次运算的结果导入模型，作为第一工步中卸载过程的初始条件；

(9)设置第一工步中刀具与工件卸载时的分析步、重启动参数、接触属性和边界条件，卸载时刀具与工件不发生接触，边界条件保持工件固定，设置刀具速度约束，使刀具退出，将模型提交进行重启动计算；

(10)将上一步的计算结果再次导入模型，作为第一工步中刀具与工件冷却过程的初始条件，设置刀具与工件冷却时的分析步、重启动参数、接触属性和边界条件；接触属性中设置切屑、工件、和刀具表面与空气间的对流换热；边界条件中去除工件的固定约束；将模型提交进行重启动计算，保存计算结果，提取第一个工步的残余应力；

(11)将上一步的计算结果导入模型，作为第二工步中切削过程的初始条件；

(12)设置第二工步中刀具切削工件时的分析步、重启动参数、接触属性和边界条件，除刀具速度和进给量改变外，其它设置条件同步骤(6)，将第二工步的模型提交进行重启动计算，重复步骤(7)-(10)，提取第二个工步切削力、切削温度和残余应力。

2.根据权利要求1所述的基于多工步的金属切削加工过程的三维有限元仿真方法，其特征在于：所述JC本构模型：

式中：A为材料在参考应变率和参考温度下的屈服强度；B和n为应变强化系数；C为应变率敏感系数；m为温度软化系数；σ_eq为等效应力；ε_eq为等效应变；为无量纲等效塑性应变率，为参考应变率；T^*＝(T-T_r)/(T_m-T_r)，为无量纲温度，T_r、T_m分别为参考温度和材料的熔点，T为当前温度。

3.根据权利要求1所述的基于多工步的金属切削加工过程的三维有限元仿真方法，其特征在于：所述JC损伤失效模型：

式中：D为损伤参数，D＝0～1，初始时D＝0，当D＝1时材料失效，Δε_p为一个时间步的塑性应变增量；ε_f为当前时间步的应力状态、应变率和温度下的破坏应变，破坏应变的表达式为：

为无量纲等效塑性应变率，为参考应变率；T^*＝(T-T_r)/(T_m-T_r)，为无量纲温度，T_r、T_m分别为参考温度和材料的熔点，T为当前温度，D₁、D₂、D₃、D₄、D₅为材料参数，σ^*为应力三轴度。

4.根据权利要求1所述的基于多工步的金属切削加工过程的三维有限元仿真方法，其特征在于：所述步骤(5)中对工件的被切削部分进行网格加密是使网格尺寸小于0.05mm。