[发明专利]一种基于相场理论的增强金属基复合材料切削仿真方法

说明书

本发明涉及一种基于相场理论的增强金属基复合材料切削仿真方法，该切削仿真方法将工件材料分为三种具有不同材料机械属性的相体，并通过机械动力学、切削原理、材料失效机理以及有限元分析法对该工件材料进行切削仿真。本发明不仅可以精确的仿真出颗粒在高速切削过程中的形态，并且可以实现表面粗糙度的模拟，该建模方法效率高，操作简单、结果可靠，对金属基颗粒复合材料的切削仿真具有重要意义。

技术领域

本发明涉及增强金属基复合材料技术领域，尤其是涉及一种基于相场理论的增强基复合材料切削仿真方法。

背景技术

颗粒增强金属基复合材料，作为一种广泛应用的金属复合材料，具有强度高、硬度高、抗疲劳性强、耐磨、导热系数低、热膨胀系数小等优点，被广泛的应用于航空航天、汽车制造、军工武器、生物医疗等领域中。但是其高强度高韧性的机械强度，以及其内部掺杂的硬度极高的陶瓷增强基颗粒，给机械加工增加了极高的难度，特别是切削的过程中，刀具与增强基颗粒之间的撞击与划擦更是加剧了刀具磨损的进程。随着计算机科技的发展，有限元仿真方法由于其效率高，成本低，被广泛的应用并替代传统的切削试验方法用于探究其切削机理。

在传统金属基复合材料仿真建模方法中，只将金属基和增强颗粒赋予机械强度与失效参数，增强颗粒与金属基体的结合界面被简化成一层厚度为零的界面(或单分子界面)，所以界面的机械强度在建模运算过程中是被忽略的。而事实上复合材料的结合面具有一定的厚度(亚微米)，是一层机械强度与结构和基体有着明显差异的新相—界面相。界面相的机械强度在一定程度上决定了复合材料的机械性能，也决定了其机械加工性能。因此在传统模型中，颗粒与基体的剥离准则在一定程度上等同于金属基材料的时效准则，进而无法真实地揭示基体—增强颗粒之间在切削过程中的相互影响做用的机理，导致仿真结果的误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在仿真过程中对界面相赋予机械属性保证仿真结果与实际一致的基于相场理论的增强基复合材料切削仿真方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于相场理论的增强金属基复合材料切削仿真方法，该切削仿真方法将工件材料分为三种具有不同材料机械属性的相体，并通过机械动力学、切削原理、材料失效机理以及有限元分析法对该工件材料进行切削仿真。

进一步具体的，该切削仿真方法的步骤为，

S1、建立二维工件与刀具的模型，将工件材料划分为三个具有不同材料机械属性的相体，分别为基体相体、颗粒相体以及界面相体，界面相体位于基体相体与颗粒相体之间；

S2、为基体相体、颗粒相体以及界面相体赋予对应的机械属性与材料失效特性参数；

S3、建立界面相体的杨氏模量；

S4、定义刀具的切削参数；

S5、将上述建立的模型进行仿真切削，得到考虑界面相体的仿真切削结果。

进一步具体的，在所述的步骤S1中基体相体为金属基体。

进一步具体的，所述的金属基体为镁合金或者铝合金，所述的颗粒相体为碳化硅。

进一步具体的，所述步骤S3中界面相体杨氏模量的函数为，

Y＝100+r×1000，

其中，Y为界面相体的杨氏模量，r为颗粒上任意一点相对圆心的半径距离。

进一步具体的，所述的步骤S4中切削参数为切削厚度、切削速度、刀具前角、刀具后角以及刃口半径。

进一步具体的，所述的切削仿真方法采用商用有限元仿真原件Abaqus进行仿真。

进一步具体的，所述的步骤S2中机械属性为密度、杨氏模量、压缩比、比热容、热传导率以及抗压强度。