CN110263476B - 一种基于有限元动态刻划仿真的金刚石磨粒磨损预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于有限元动态刻划仿真的金刚石磨粒磨损预测方法，该方法是通过拟合磨粒动态刻划过程所获得的应力数据及温度数据加载在磨粒上进行磨粒磨损的计算与预测。步骤是，根据实际加工情况定义磨粒几何尺寸，使用建模软件进行参数化建模；在有限元仿真软件中建立工件模型，依次完成工件、磨粒材料属性赋予，装配工作，分析步设置，网格划分，接触设置等；完成单颗金刚石磨粒刻划仿真，通过后处理获取刻划过程中应力数据、磨粒温度分布数据等；使用数学软件将刻划时间‑应力数据、刻划时间‑温度数据拟合成多项式；将获得的应力和温度数据以方程的形式加载在磨粒上来预测磨粒的磨损区域和磨损量。本发明结合建模软件、有限元仿真分析技术、数学软件进行单磨粒刻划的联合动态仿真以及金刚石磨粒刻划过程的磨损演变及磨损量预测。

Description

一种基于有限元动态刻划仿真的金刚石磨粒磨损预测方法
技术领域
本发明涉及一种有限元预测方法，尤其使一种基于有限元动态刻划仿真的金刚石磨粒磨损预测方法。
背景技术
碳化硅陶瓷具有诸多优异的性能(高硬度、抗氧化性、较强的耐酸耐碱性、低热膨胀系数和高导热系数等)，近年来被广泛应用于航空航天、机械工业、电子等各个领域，已经成为工业领域不可替代的材料。但由于SiC陶瓷高硬度和高耐磨性的特点，其机械加工主要方法是磨削、研磨和抛光，其中金刚石砂轮磨削加工的效率最高，是加工SiC陶瓷的重要手段。
金刚石砂轮对工件的磨削过程即为砂轮表面上突出于基体之外的金刚石磨粒对工件进行微量切削的加工过程，磨粒通过结合剂与砂轮基体相连，其排列杂乱无章、规格大小不一、运动规律复杂多样，这就为砂轮磨削机理的研究带来了极大困难，尤其是对于磨粒磨损机理的研究尤为复杂。单颗磨粒是组成砂轮及去除工件材料的基本单元，单磨粒的刻划作为砂轮加工的一种简化模式，是认识复杂磨削作用的一种重要手段。
单磨粒刻划仿真是单磨粒刻划研究重要的辅助手段，可通过与试验结果对比验证，为磨削机理分析提供有参考价值的数据，总结提炼磨削过程中的相关模型，为单颗粒刻划实验及机理分析提供指导和依据。磨粒磨损的仿真是刻划仿真中的难点，在刻划过程中直接对磨损演变过程进行仿真，不仅模型处理计算需要大量时间，也极易造成结果的不收敛。
仿真过程大致分为前处理、模型计算、后处理三部分。虽然可通过一个有限元仿真软件完成，但有时针对单一部分的处理不尽如人意。通过多个软件进行联合仿真效果较好，即将某款软件的输出结果作为系统输入信号传递给下一款软件进行仿真分析或数据计算。
综上所述，迫切需要一种能够结合多种不同领域的软件进行磨粒刻划过程仿真和磨粒磨损仿真的方法，它具有建模圆润快捷，模型计算时间快，输出结果准确真实的特点，以实现对于磨粒磨损演变的预测。
发明内容
发明目的
针对背景技术中存在的问题，本发明旨在提出一种能够结合多种不同领域的软件进行磨粒刻划过程仿真和磨粒磨损仿真的方法，它能够利用不同领域软件准确完成整个仿真过程中的不同部分(建模—仿真—数据处理—再仿真)，可弥补现有使用单一有限元软件对于某部分工作处理不得当的缺陷，为单磨粒刻划碳化硅陶瓷和金刚石磨粒磨损演变规律的研究提供理论基础和仿真技术支持。
为实现上述发明目的所需技术方案是:
一种基于有限元动态刻划仿真的金刚石磨粒磨损预测方法:
首先，根据实际加工情况定义磨粒几何尺寸使用建模软件对金刚石磨粒进行参数化建模；将建立好的磨粒模型导入到CAE软件ABAQUS中，在ABAQUS中建立工件模型并编写inp程序调用碳化硅材料之JH-2本构模型；完成单磨粒刻划仿真计算，经后处理得到随时间变化的应力、温度数据；将得到的所有数据点导入到数学软件中进行样条拟合，得到随时间变化的应力、温度多项式；再次使用ABAQUS软件，将上述得到的数据以方程的形式加载在磨粒参与刻划的区域，根据进行静力学仿真得到磨粒磨损演变过程和磨损量，进而对刻划仿真的参数优化和磨损控制策略提供仿真基础。
上述的一种基于有限元动态刻划仿真的金刚石磨粒磨损预测方法，包括以下步骤：
步骤一:对金刚石磨粒进行参数化建模
依据实际加工情况使用建模软件对金刚石磨粒进行参数化建模(微米级)，首先定义磨粒的尺寸特征，将粒径、顶锥角、顶角圆弧半径作为主要参数驱动；进入草图模式，绘制一个等腰三角形，另其底边中线与Y轴重合，顶角顶点约束在坐标中心，在顶点处倒圆角；退出草图模式，点选几何表达式按钮，选取底边长度为一个参数，命名为a，选取等腰三角形顶角角度作为一个参数，命名为c，定义顶角圆弧半径为参考参数，其半径为e；模型中的所有图形相对于坐标轴完全约束，其尺寸和位置关系能协同变化。
步骤二:建立工件模型并完善单磨粒刻划仿真模型
单磨粒刻划仿真工件材料选用典型硬脆材料碳化硅陶瓷，在ABAQUS软件中建立工件模型，编写inp程序调用JH-2本构模型并赋予材料属性参数；依次完成装配、分析步、网格划分、边界条件等设置，分析步设置力热耦合模型；
步骤三:进行单磨粒刻划仿真及后处理
将步骤二中处理好的仿真模型进行提交计算，得到刻划过程中基于第四强度理论的Mises应力分布情况；通过场变量输出/历程变量输出随时间变化的磨粒应力分布及温度分布，得到一系列的数据点；
步骤四:对提取的数据点进行样条拟合
将步骤三获得的数据点用数学软件进行拟合，首先导入数据点，以时间为自变量，应力、温度为因变量；在命令行中输入cftool调用曲线拟合工具箱进行数据拟合，利用Xdata和Y data的下拉菜单读入数据x、y，修改数据集名为时间、应力，返回工具箱界面，自动画出数据集的曲线图；在下拉菜单Type of fit中选择多项式拟合，得到时间-应力曲线的拟合多项式；以同样的方式获得时间-温度曲线的拟合多项式；
步骤五：对磨粒刻划区域进行静力学仿真
将获得的随时间变化的应力、温度以多项式的形式加载在磨粒刻划区域，载荷方向设置为指向磨粒质心；提交计算后得到磨粒形变图，即磨粒随时间变化的磨损图；在odb文件中可以输出磨损演变历程以及在某一时间点的磨粒磨损量，以此为基础可以对磨粒磨损演变及磨粒磨损量预测提供理论基础；
本发明提到一种基于有限元动态刻划仿真的金刚石磨粒磨损预测方法，与现有方法相比，具有以下优点；
1.在二维平面对金刚石磨粒进行参数化建模，以便完成多参数的仿真任务；
2.工件材料碳化硅属硬脆材料，在很大程度上材料呈脆性去除，采用JH-2本构方程以及编写inp程序赋予相关参数；
3.得到应力、温度数据后用数学软件进行拟合，再用静力学仿真的方法而非动力学仿真，其优势在于结果更易收敛。
附图说明
图1本发明的仿真方法流程图；
图2基于参数化建模的金刚石磨粒模型；
图3工件模型(基于JH-2本构模型建模)；
图4工件-金刚石磨粒-工件装配图；
图5边界条件设置；
图6刻划仿真结果；
图7经拟合后的时间-应力曲线；
图8经拟合后的时间-温度曲线；
图9金刚石磨粒随时间变化的磨损演变过程。
具体实施方式
以下结合附图和具体的实施方案对本发明做进一步阐述
如图1所示，本发明是一种基于有限元动态刻划仿真的金刚石磨粒磨损预测方法，具体实施方案包括如下步骤：
步骤1：依据实际加工情况使用建模软件对金刚石磨粒进行参数化建模，如图2所示，首先定义磨粒的尺寸特征，将粒径、顶锥角、顶角圆弧半径作为主要参数驱动；进入草图模式，绘制一个等腰三角形，另其底边中线与Y轴重合，顶角顶点约束在坐标中心，在顶点处倒圆角；退出草图模式，点选几何表达式按钮，选取底边长度为一个参数，命名为a，选取等腰三角形顶角角度作为一个参数，命名为c，定义顶角圆弧半径为参考参数，其半径为e；模型中的所有图形相对于坐标轴完全约束，其尺寸和位置关系能协同变化；保存为.enf格式。
步骤2：打开ABAQUS/CAE 2017软件，在文件/导入/部件中导入保存好的金刚石磨粒模型，保存为草图作为刀具部件；在部件中建立工件模型，尺寸长×高为250μm×50μm；单磨粒刻划仿真工件材料选用典型硬脆材料碳化硅陶瓷，编写inp程序调用JH-2本构模型并赋予材料属性参数，如图3所示；磨粒材料选用金刚石，工件、磨粒材料弹性属性均选择为各向同性。
步骤3：完成单磨粒刻划碳化硅仿真模型，依次完成装配、分析步、网格划分、边界条件等设置，如图4所示；在装配模块中选择创建实例，点选两个部件进行装配，选择平移实例调整磨粒与工件位置，使磨粒尽可能靠近工件以节约计算时间；在分析步模块中创建分析步，设置为动力，温度-位移耦合模型，计算时间总长为1.1×10-5s；在网格模块中为磨粒与工件划分网格，工件选择为边布种，上密下疏，网格大小为0.2μm，磨粒网格大小为2μm，网格单元类型选择平面应力；定义相互作用，选择表面与表面接触，磨粒与工件的接触性质为法向行为接触后分离、切向行为罚摩擦，摩擦系数为0.3，如图5所示；定义边界条件，完全固定工件的下表面和不参与刻划的两侧面，设置磨粒速度为30m/s，设置预定义场，定义初始温度为25℃。
步骤4：将步骤3中处理好的仿真模型进行提交计算，得到刻划过程中基于第四强度理论的Mises应力分布情况；通过场变量输出/历程变量输出随时间变化的磨粒应力分布及温度分布，得到一系列的数据点，图6为某一时间点的仿真刻划情况。
步骤5：将步骤4获得的数据点用数学软件进行拟合，首先导入数据点，以时间为自变量，应力、温度为因变量；在命令行中输入cftool调用曲线拟合工具箱进行数据拟合，利用X data和Y data的下拉菜单读入数据x,y，修改数据集名为time，stress，返回工具箱界面，自动画出数据集的曲线图；在下拉菜单Type of fit中选择多项式拟合，得到时间-应力曲线的拟合多项式；以同样的方式获得时间-温度曲线的拟合多项式，如图7、8所示；
步骤6：将获得的随时间变化的应力、温度以多项式的形式加载在磨粒刻划区域，载荷方向设置为指向磨粒质心；提交计算后得到磨粒形变图，即磨粒随时间变化的磨损图，如图9所示；在odb文件中可以输出磨损演变历程以及在某一时间点的磨粒磨损量，以此为基础可以对磨粒磨损演变及磨粒磨损量预测提供理论基础。
步骤7：根据磨损状态和磨损量曲线，可通过调整刻划参数(切深、刻划速度、磨粒形状)等形成多组对比试验，以此为基础可预测磨粒磨损的影响因素及与刻划参数的相关性，从而可寻求优化刻划参数以控制磨粒磨损过程，提高磨粒寿命及加工效率。

Claims (5)

1.一种基于有限元动态刻划仿真的金刚石磨粒磨损预测方法，其特征在于：包括：
1）根据实际加工情况定义磨粒几何尺寸并对金刚石磨粒进行参数化建模；
2）对金刚石磨粒刻划碳化硅陶瓷工件进行有限元仿真分析；
3）对刻划过程中的应力和温度数据进行拟合；
4）将拟合好的应力和温度数据作为动态输入进行金刚石磨粒磨损的静力学有限元仿真，对金刚石磨粒磨损量及演变规律进行预测。
2.根据权利要求1所述的基于有限元动态刻划仿真的金刚石磨粒磨损预测方法，其特征在于：使用建模软件进行圆锥体金刚石磨粒的参数化建模，磨粒尺寸参数为粒径、顶锥角度、顶角圆弧半径，建造金刚石磨粒模型。
3.根据权利要求1所述的基于有限元动态刻划仿真的金刚石磨粒磨损预测方法，其特征在于：工件材料基于JH-2本构模型进行材料赋予，JH-2本构模型通过input文件编程进行调用，对金刚石磨粒刻划碳化硅陶瓷工件进行仿真分析，获得刻划过程中磨粒的应力和温度分布，提取随时间变化的数据以备使用。
4.根据权利要求1所述的基于有限元动态刻划仿真的金刚石磨粒磨损预测方法，其特征在于：将获取的应力和温度数据输入到数学分析软件中进行拟合，获得以时间为自变量的应力和温度拟合方程。
5.根据权利要求4所述的基于有限元动态刻划仿真的金刚石磨粒磨损预测方法，其特征在于：将获得的应力和温度拟合方程作为动态输入加载到磨粒工作区域，进行金刚石磨粒磨损有限元仿真，对金刚石磨粒磨损量及演变规律进行预测。
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