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金属高速切削模拟中基于物理的本构模型的应用

作　者: 刘鹏辉
导　师: 高重阳
学　校: 浙江大学
专　业: 固体力学
关键词: 高速切削加工有限元模拟 VUMAT子程序本构模型锯齿型切屑钛合金(Ti6Al4V)
分类号: TB115
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 30次
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内容摘要

金属高速切削过程是力学-机械-材料多学科交叉领域内一个十分复杂的热力学耦合问题,涉及到弹塑性大变形、高温、高应变率、断裂失效、剧烈摩擦等一系列的现象,利用传统的理论研究方法很难突破。随着计算机技术的飞速发展,有限元模拟已成为研究高速切削过程的重要手段。本文基于ABAQUS/Explicit有限元软件分析平台,建立了二维正交切削模型,以此对钛合金(Ti6A14V)的高速切削过程进行动态模拟分析。并从本构模型、失效准则、摩擦模型、网格划分等方面对影响模拟结果的主要因素进行了分析。鉴于ABAQUS有限元软件自身材料库中描述材料性能的本构方程有限,不能满足研究高速切削问题的要求。本文利用应力补偿更新算法,通过显式用户材料子程序VUMAT,将基于金属塑性变形细观位错理论的Gao-Zhang (G-Z)本构模型嵌入ABAUQS/Explicit中,并对Ti6A14V的高速切削过程进行动态模拟。由此对模拟结果中的Mises应力、等效塑性应变、温度等状态变量的分布规律进行分析。并将切屑的最终形态、切削力的大小、工件表面残余应力的大小与Johnson-Cook (J-C)本构模型的计算结果以及实验结果分别进行了比较和分析,验证和讨论了G-Z模型的可靠性。该模型在Ti6A14V高速切削过程有限元模拟中的应用,为金属高速切削的研究提供了有效的计算方法改进。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-8
目次  8-10
第1章绪论  10-19
  1.1 研究背景  10-11
  1.2 高速切削国内外研究现状  11-14
  1.3 有限元动态分析技术简介  14-17
  1.4 本文主要研究内容及意义  17-19
第2章高速切削有限元模拟建模分析  19-31
  2.1 二维正交模型的建立  19-20
  2.2 材料本构模型的确立  20-23
  2.3 材料失效准则的选择  23-25
  2.4 刀具-切屑间的摩擦模型  25-26
  2.5 网格划分密度的影响  26-30
  2.6 本章小结  30-31
第3章 VUMAT显式用户材料子程序的编制  31-48
  3.1 用户材料子程序简介  31-32
  3.2 应力补偿更新算法  32-39
  3.3 VUAMT用户子程序接口及调试  39-43
  3.4 VUMAT子程序的编制及验证  43-47
    3.4.1 VUMAT子程序的编制  43-45
    3.4.2 基于J-C本构模型的验证  45-47
  3.5 本章小结  47-48
第4章 G-Z本构模型在钛合金切削模拟中的应用  48-65
  4.1 G-Z本构模型简介  48-50
  4.2 G-Z模型材料参数的确定  50-51
  4.3 基于G-Z模型VUMAT的编写  51-53
  4.4 引入G-Z模型的钛合金切削模拟结果  53-57
  4.5 不同本构模型下切削力的比较验证  57-64
    4.5.1 J-C模型不同材料参数模拟结果比较  57-60
    4.5.2 G-Z与J-C模型的结果比较  60-62
    4.5.3 G-Z模型与实验结果比较验证  62-64
  4.6 本章小结  64-65
第5章总结与展望  65-67
  5.1 总结  65-66
  5.2 展望  66-67
参考文献  67-73
作者简介  73

金属高速切削模拟中基于物理的本构模型的应用

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