[发明专利]一种金刚石圆锯片锯切系统建模及硬脆材料锯切加工过程数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种金刚石圆锯片锯切系统建模方法及基于该系统的硬脆材料锯切加工过程数值模拟方法，本发明为金刚石圆锯片锯切加工硬脆材料提供了一种精度较高方法，所述的方法为FEM‑SPG耦合法。所述的耦合法是将工件锯切过程中出现碎屑破碎、飞溅等区域的工件材料离散为SPG无网格粒子，在此区域使用粒子流动的方式来处理大变形问题，而在其它塑性、弹性小变形区域使用计算效率更高的FEM法，即保证了计算效率又保证了计算精度；本发明适用于计算模拟金刚石圆锯片锯切大理石、花岗岩、混凝土等硬脆材料的加工过程，具有适用性强、计算精度较高等特点，降低了计算成本，为锯片性能预测提供了新方法。

技术领域

本发明属于硬脆材料加工领域，具体来说涉及一种金刚石圆锯片锯切系统建模及硬脆材料锯切加工过程数值模拟方法。

背景技术

金刚石圆锯片是一种石材、硬脆材料加工工具，具有良好的适用性。我国现处于高质量发展的时期，城镇房屋、装潢和基础设施建设投资保持较大规模，为金刚石圆锯片发展提供了持续稳定的市场空间，同时也为金刚石圆锯片锯切性能提出更高要求。锯切加工过程中锯切力是重要技术参数，不仅衡量了锯切效率而且决定了锯片寿命，是评价锯切性能优劣的重要指标，同时锯片力也是锯切机理研究的重要对象。

从本质上提升加工工具的锯切性能，必须获取准确的锯切力、锯片振动信息。采用实验手段或理论分析方法很难获取准确锯切力、振动等瞬间响应信息，且试验成本较高，而数值仿真技术为解决此类问题提供了有效方法。目前，学界主要集中利用有限元 (FEM)、光滑流体动力学(SPH)及FEM-SPH耦合等方法还原整个加工过程，促进了锯切加工仿真应用技术发展。然而在传统FEM框架下的石材锯切过程切屑飞溅、材料分离效果不明显，导致对材料去除机理研究受到限制，而且FEM对离散网格的质量要求高，在处理大变形问题常出现网格畸变而产生的Jacobian矩阵的行列式值为负值现导致计算失败，为此使用了单元失效技术(MAT_ADD_EROSION)解决此类问题，但这样处理导致质量、动量和能量无法守恒，数值收敛性差。SPH法在把问题域离散为固定质量的粒子，无需网格划分及重构，不会发生网格畸变，适合分析在高速、高压作用下的硬脆材料的大变形问题，相比FEM提供了许多数值上的优点，且计算精度高，但是SPH法计算效率较低，在锯切加工过程可能出现材料历史信息的扩散、张力不稳定性、或者零能量模式、以及实施边界条件时的困难，且与FEM耦合困难等问题。而无网格伽辽金(SPG) 算法，引入基于键断裂的数值模型处理脆性材料、半脆性材料大变形问题，键断裂模型无需删除单元/节点，计算步长不随材料变形而降低(Δ_t计算稳定)，与FEM模型可共节点耦合，计算效率较高，为表征金刚石圆锯片锯切硬脆材料(石材或混凝土)过程提供了一种有效的数值模拟方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种金刚石圆锯片锯切系统建模及硬脆材料锯切加工过程数值模拟方法。该方法为石材锯切加工响应信息计算与预测提供一种精度高的数值模拟方法，进而为提高硬脆材料锯切加工技术提供了新的参考。该方法基本思想是将工件锯切过程中出现大变形区的材料离散为SPG无网格粒子，在局部区域 (SPG区域)使用粒子流动的方式来处理碎屑破碎、飞溅问题，而在其它塑性、弹性小变形区域使用计算效率更高的FEM法。

一种金刚石圆锯片锯切系统建模方法，该方法包括：

步骤1，问题域定义：根据实际工况定义锯切系统主要组成部分：金刚石圆锯片、夹盘及工件，对上述锯切系统利用三维制图处理软件进行三维几何结构设计。

步骤2，离散化问题域及定义材料本构参数：对所述的几何结构(问题域)导入CAE前处理器Hypermesh进行几何检查和修正，消除几何模型中的间隙、重叠和缺损，以免对仿真结果造成影响，利用FEM技术将几何结构离散为Solid164三维单元构成实体结构。