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题目：金属切削过程有限元分析

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日期：2013年7月

TOC\o1-3\h\z\u摘要： 2

关键词： 2

引言 2

1.金属切削分析模型的建立 2

1.1建立几何模型 4

1.2单元选择 4

1.3材料模型 4

1.4网格划分 5

2加载和切削速度的定义 6

2.1边界条件的定义 6

2.2切削速度的加载 6

2.3刀—屑脱离判断 7

3.模拟结果分析 7

4.结语 9

5.参考文献 10

金属切削过程有限元分析

######

摘要：金属切削过程是一个非常复杂的弹塑性变形过程，本文以铝合金A6061材料为例，采用有限元方法及弹塑性变形理论为理论指导，对二维金属切削的变形过程进行有限元建模并分析。本文重点模拟了刀具在不同行程下工件和刀具内部应力分布情况，为实现金属切削过程的数值模拟提供可靠的理论基础。在总结有限元法在金属切削加工分析方面的主要应用的基础上，展望了切削加工过程有限元分析的未来研究趋势。

关键词：金属切屑；有限元模型；有限元分析

引言

有限元模拟技术在机械制造工程领域应用日益广泛，在机械制造业中，精度要求较高和表面质量限定较严的零件通常都要经过切削加工。借助有限元模拟技术，可以直接求出变形体内部有关变形速度、应力、应变参数分布规律，为设计人员提供直观的物理数据，为后人深入研究提供参考依据和理论指导。

ANSYS系统具有强大的前、后处理和求解功能，通用性很强。但是在ANSYS中没有用于金属切削模拟的专用分析模块。所以本文完成了对金属（铝合金A6061）正交切削过程的全程模拟。为实现金属切削过程的数值模拟提供可靠的理论基础。

1.金属切削分析模型的建立

通常在金属切削过程中，刀具和被切削材料相比硬度较大，而被剪切工件硬度较小，因此，刀具往往被视为刚性体，只进行弹性分析。而工件被视为塑性体，要进行弹塑性分析。而且工件的变形也由弹性变形开始，然后根据其受力大小决定是否进入塑性变形。因此，在建立数学模型时，应区分弹性变形阶段和塑性变形阶段，并根据选定的屈服准则判断何时进入塑性阶段，即先建立工件和刀具弹性变形阶段的数学模型。

本切削模型为直角切削，可作平面应变问题来解决，故这里不考虑z，以后所用到的Rz、Ez、Szx及Syz等应力参数都按平面问题而忽略。另外，考虑到矩形单元不仅计算精度高，而且计算速度快，故在建模时刀具和工件均采用矩形单元。对于矩形单元，每节点的位移模式为

（1）

在已知单元节点的位移模式之后，通过几何方程可以求出单元的应变。将单元节点的位移模式代入几何方程，可得如下关系为

（2）

（3）

铝合金A6061材料的分析单元类型选择VISCO106大变形单元，弹性模量E=70Gpa、泊松比μ=0.3，其应力~应变关系式为[1，2]：

（4）

在弹性变形条件下，平面应变问题的应力与应变关系，由广义虎克定律可得到应力表示应变的物理方程，其矩阵形式为

（5）

式中——弹性矩阵将单元应变与节点位移的关系式代入物理方程，得

（6）

式中[S]——应力转换矩阵

由于各单元受力通过节点传递，在平面问题中，每个节点所受的力有2个分量Fix、Fiy，因此对于四边形单元，其单元节点力的列阵为（7）

由虚功方程可推导出单元节点力和单元节点间位移的关系为

（8）

记为

（9）

其中