CN110489777A - 一种阵列孔电火花超声复合加工流场仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阵列孔电火花超声复合加工流场仿真方法,步骤为:步骤A、利用ANSYS workbench软件建立阵列孔三维几何模型;步骤B、将三维几何模型导入到FLUENT mesh中进行网格划分,并设定边界条件及其初始条件;步骤C、在FLUENT中设置动网格模型模拟计算超声振动作用下阵列电极周围网格的剧烈变化;步骤D、利用FLUENT软件求解阵列孔流场物理模型,并输出流场流动参数,其中流场物理模型包括:湍流模型、多相流模型、离散相模型。通过本发明可以更加准确地模拟电火花超声复合加工阵列孔过程中流场的流动状态以及电蚀颗粒的排出过程,使模拟细节更加细化,使仿真结果更加精确。
Description
技术领域
本发明涉及计算流体力学技术领域,具体是一种阵列孔电火花超声复合加工流场仿真方法。
背景技术
利用阵列电极电火花加工阵列孔具有电极损耗率低、加工效率高的优点,因此被广泛应用于微小阵列孔加工中。然而在阵列电极加工阵列孔过程中,由于阵列电极无法旋转、加工间隙小和间隙流场不均匀分布,电蚀颗粒无法快速有效排出,造成电蚀颗粒在加工间隙内堆积与聚集,容易引发二次放电,致使阵列孔内外侧孔径加工不一致。而阵列孔内外侧孔径的一致性直接影响着精密零件的使用性能。电火花超声复合加工可以增加放电通道内火花有效放电次数,提高材料蚀除以及电蚀颗粒排泄的能力,增加放电加工的稳定性,但仍然存在着因电蚀颗粒无法有效排出和放电点分布不均匀导致的阵列孔内外侧孔孔径存在差异的问题,制约了微细电火花加工技术在精密制造领域的发展。
阵列孔电火花超声复合加工是在液体或气体介质中进行的,电蚀颗粒在加工间隙中的分布情况影响着电火花加工的放电状态。由于加工间隙小、放电过程复杂,且工件和电极均采用不透明的实体,进行试验测量时很难用仪器直接测量和观察间隙流场中工作液的流动状态,因此需要采用计算流体力学软件进行辅助。利用流体动力学技术可通过计算机模拟分析并显示出间隙流场中流体的流动现象,从而能够在较短的时间内预测出流场情况,计算流体力学模拟方法有助于快速理解流体力学问题,为实验设计提供理论指导,从而节约大量的时间和资源。
但是,传统方法中假定阵列电极的固液或气液两相流为稳定层流流动而忽略加工间隙内流体的湍流强度,直接进行阵列孔流场流动参数计算的建模仿真方法,不仅计算效率低,而且仿真结果的可靠性也很差。因此,需要提供一种阵列孔流场仿真方法有效模拟计算阵列孔流场情况,并能反映出流场主要特点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种阵列孔电火花超声复合加工流场仿真方法,以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种阵列孔电火花超声复合加工流场仿真方法,其特征在于,包含以下步骤:
A、利用ANSYS workbench软件建立阵列孔三维几何模型;利用经验公式法对阵列电极间加工间隙进行估算,计算得到阵列电极部分底面及侧边加工间隙的估计值,进而得到阵列孔三维几何模型;本次计算中不考虑放电击穿及二次放电的影响;
B、运用交错网格技术将步骤A中所得到的三维几何模型导入到FLUENT mesh中进行网格划分,得到阵列孔有限元模型,根据计算需要设定流场边界条件,并对流场区域各参数进行初始化,其中流场边界条件包括进口边界、出口边界以及壁面边界;
C、在FLUENT中设置动网格模型模拟计算超声振动作用下阵列电极周围网格的剧烈变化;D、利用FLUENT软件求解阵列孔流场物理模型,并输出流体流动参数,其中流场物理模型包括:湍流模型、多相流模型、离散相模型。
作为本发明的进一步技术方案:所述三维几何模型阵列孔深径比为0.5~2。
作为本发明的进一步技术方案:所述步骤C中所述动网格模型采用铺层、弹簧光顺、局部重构体网格再生方法。
作为本发明的进一步技术方案:所述步骤D中所述湍流模型采用RNGk-ε模型。
作为本发明的进一步技术方案:所述步骤D中所述多相流模型采用VOF模型。
作为本发明的进一步技术方案:所述步骤D中所述离散相模型用来模拟计算加工过程中电蚀颗粒的产生速率。
作为本发明的进一步技术方案:所述步骤D具体内容为:利用MAPLE方法对阵列孔流场物理模型进行离散化处理,求解FLUENT软件的雷诺平均N-S控制方程,对流体的速度和压力进行求解;如果控制方程收敛,则所有流场参数即为最终结果,如果控制方程不收敛,对所有流场初始参数添加松弛因子后重新返回上一步,直至控制方程收敛。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:1.本发明提供的流场仿真方法能够根据阵列孔电火花超声复合加工过程对油槽内工作液部分建立三维仿真模型,耦合流场、压力场以及固体电蚀颗粒,对工作液的流速、压力以及电蚀颗粒的排出过程进行模拟计算,更加符合实际加工情况。
2.本发明能够快速仿真得到易于观察的阵列孔流场流动参数,与现有仿真结果相比,模拟细节更加细化,仿真结果更加直观可靠。
3.本发明在FLUENT软件中采用MAPLE方法并结合交错网格技术模拟计算加工间隙内流场流体的速度和压力等流动参数,使求解结果更加稳定精确。
附图说明
图1为本发明的仿真流程图。
图2为本发明的阵列孔加工间隙流场三维几何模型。
图3为本发明的阵列孔加工间隙流场网格划分模型。
图4为本发明的阵列孔电火花超声复合加工间隙流场二维截面模型及初始时刻计算区域分布图。
图5为速度场分布图。
图6为压力场分布图。
图7为电蚀颗粒分布图。
图8为深径比为0.5时的放电间隙外颗粒分布图。
图9为深径比为1时的放电间隙外颗粒分布图。
图10为深径比为2时的放电间隙外颗粒分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1:如图1~10所示,本发明所涉及的一种阵列孔电火花超声复合加工流场仿真方法的具体实现过程为:
步骤A、利用ANSYS workbench软件建立阵列孔三维几何模型
由于阵列电极采用浸液方式加工,阵列电极出口以外的部分也会影响电蚀颗粒的排出,因此对油槽内工作液部分进行建模时所研究的流体部分不仅包括阵列孔加工间隙内流体区域,还包括电极出口位置以外的区域,将工作液部分看作为不可压缩、连续的理想流体,且不考虑加工过程中热量对流体的影响,建立的三维几何模型如图2所示。
电火花加工过程中,阵列电极间的加工间隙是主要的放电加工区域,而加工间隙大小很难通过实验直接精准测量,通常采用以下经验公式进行估算:
δ0=KV·V+KR·ε0+Am(μm)
式中:KV表示电压常数;V为开路电压;KR表示材料系数;U(t)为放电电压,单位为V;I(t)为峰值电流,单位为A;ton为脉冲宽度,单位为μs;ε0为单个脉冲放电产生的能量,单位为J,表达式为ε0=us·is·ts,上式中:us为间隙电压,is为峰值电流,ts为脉宽;Am为振动间隙,一般为2~4μm。
步骤B、将三维几何模型导入到FLUENT mesh中进行网格划分,得到阵列孔有限元模型,根据计算需要设定流场边界条件,并对流场区域各参数进行初始化,其中流场边界条件包括进口边界、出口边界以及壁面边界。
步骤B(一)、网格划分
运用交错网格技术将步骤A中所得到的三维几何模型导入到FLUENT mesh中进行网格划分,选取网格划分类型为四面体非结构化网格,并将孔深径比分别设为0.5、1、2的划分网格进行迭代计算对比,并对阵列电极加工间隙的网格区域进行局部细化,网格划分完成后需要对网格进行质量检测,确保模型内没有低质量网格。选取孔深径比为1的网格划分得到模拟结果,划分后网格类型如图3所示。
步骤B(二)、设定流场边界条件
本发明中定义的流场边界条件包括:进口边界、出口边界以及壁面边界。本仿真过程中主要针对加工间隙内的流场区域,整个工作液模型可以指定为流体域,进口边界设定为速度进口边界,设置工作液与空气接触的上表面边界指定为压力出口(pressure-outlet),大小为一个标准大气压,将工作液部分与阵列电极接触边界、工件接触边界以及油槽侧边和底边接触边界设置为壁面边界(wall)。
步骤B(三)、流场区域初始化
在FLUENT中迭代之前需要初始化流场,进而提供一个初始解,可以根据设置多个边界条件计算出初始解,亦可以根据需要直接设置流场的数值。本仿真中可直接对所有流场区域的各流动参数进行初始化处理。
步骤C、在FLUENT中设置动网格模型模拟计算超声振动作用下阵列电极周围网格的剧烈变化。其中包括:选用FLUENT中的动网格模型并设置采用铺层、弹簧光顺、局部重构三种体网格再生方法相结合的计算方法进行模拟,并利用UDF函数定义阵列电极振动的速度和起止边界,指定阵列电极的网格运动区域。本次计算过程中应遵循动网格流场计算方程。
对于流场区域边界上任意的控制体,若体积为V,控制体的一般标量的守恒方程为:
式中:是标量的源项;为动网格的运动速度;Γ为耗散系数;为流体流动的速度矢量;ρ为流体密度。
将上式转化为一阶差分形式:
式中:n和n+1分别表示当前时间层和下一刻时间层。
第n+1个时间步的控制体为:
依据网格守恒定律可得,控制体对时间的导数可由下式计算得到:
即
式中:δVj表示在时间Δt内扫描到的网格体积。
由此可以模拟计算得到一定时间内流场区域网格形状的变化情况。
步骤D、利用FLUENT软件求解阵列孔流场物理模型,并输出流体流动参数,其中流场物理模型包括:湍流模型、离散相模型、多相流模型。
步骤D(一)、阵列孔流场的湍流模型
本发明采用湍流模型中的RNG k-ε模型,可在FLUENT中选中该模型,该湍流模型是经过瞬态N-S方程演变而来,其微分形式比标准k-ε模型增加了项和函数,且模型中所使用的常量也有不同,其输运方程可表达为:
公式(2)、(3)分别表示RNG k-ε模型在i方向的k方程和ε方程。
式中:ρ为流体密度(kg/m3);ui为方向速度矢量(m/s);xi、xj分别表示i、j方向的位移(m);t为时间(s);μ为流体的动力粘度(kg·m-1·s-1);Gk为湍流动能的产生;Gb为由浮力产生的湍流动能;YM为可压缩湍流中由过渡扩散产生的湍流波动,对于不可压缩流体为0;C1t、C2t、C3t为由RNG理论分析而得到的常量;αk、αε分别为k方程和ε方程的湍流Prandtl数;Sk、Sε为源项。
(1)湍流Prandtl数的计算
依据湍流RNG理论,湍流Prandl数αk、αt可分别从下式计算得到:
式中:α0=1.0,a=0.6321,b=1.3929,c=2.3929。
(2)湍流动能的产生
表示湍流动能产生的Gk项可由下式计算得到:
Gk=μS2
式中:S表示平均应变率张量的模。
(3)Rε项的计算
相对雷诺数Rε可由下式计算得到:
式中:Cμ=0.0845,η=Sk/ε,η0=4.38,β=0.012。
步骤D(二)、阵列孔流场的离散相模型
为了便于观察阵列孔电火花超声复合加工过程中加工间隙内电蚀颗粒在超声振动作用下的排出过程,采用FLUENT中的DPM模型来处理电蚀颗粒的运动轨迹,因此需要确定DPM模型的质量流率,也就是加工过程中电蚀颗粒的产生速率。本发明中允许离散相和连续相耦合计算,模拟得到的离散相能够充分考虑工作液体的流动特性,也会减少气液两相热量传递的影响。
电蚀颗粒在流场区域的轨迹是利用对拉氏坐标系下电蚀颗粒所受的作用力微分方程通过积分而得的,因此电蚀颗粒在笛卡尔坐标系下i(x,y)方向的作用力平衡方程为:
式中:gi表示i方向上的重力加速度,V、Vp分别代表工作液和电蚀颗粒在i方向上的速度,ρ、ρp分别代表工作液和电蚀颗粒的密度,FD(v-vp)为电蚀颗粒单位质量拽力。
其中
式中:dp表示电蚀颗粒的直径,Rε表示相对雷诺数,CD表示拽力系数,Fi表示流体加速度而引起的附加作用力,a1、a2、a3是根据Morsi和Alexander研究所得到的常量。同理可得其他两个方向的动力学方程。
步骤D(三)、阵列孔流场的多相流模型
在阵列孔电火花超声复合加工过程中,阵列电极的上半部分处在空气中,下半部分处在煤油中,三维几何模型包括液体和气体两相,因此在多相流模型中采用VOF模型来处理煤油和空气的两相流问题,由于工作液部分看作连续的不可压缩流体而气体流体仍看作连续介质,因此在理想流体中不考虑质量和能量传递及热传导的影响。阵列孔电火花超声复合加工间隙流场二维截面模型及初始时刻煤油和空气在计算区域中的分布情况如图4所示。
步骤D(四)、求解控制方程
通过步骤B设置的边界条件及其迭代计算条件,利用MAPLE方法对阵列孔流场物理模型进行离散化处理,求解FLUENT软件的雷诺平均N-S控制方程,对流体的速度和压力进行求解;如果控制方程收敛,则所有流场参数即为最终结果,如果控制方程不收敛,对所有流场初始参数添加松弛因子后重新返回上一步,直至控制方程收敛。
FLUENT软件可以根据计算需要及计算条件选择合适的求解方法来表达流场计算区域的离散化,也就是通过将流场空间内原本连续的计算区域划分成多个单元子区域,将控制方程中表示流动特性的偏微分方程转化为各区域联系节点的代数方程(即离散方程),对连续的控制方程进行离散求解,并能在较短的时间内完成流场模拟计算,既节省了计算时间,又保证了仿真计算结果的可靠性。
步骤D(五)流场模拟结果展示
在FLUENT中,可采用矢量图、等值线图、云图等方式对流场模拟计算结果进行后处理及仿真模拟结果展示,显示加工间隙流场区域内速度变化、压力分布以及电蚀颗粒随流体流动的变化情况。
下面是对孔深径比为1的阵列孔电火花超声复合加工间隙流场仿真模拟情况,具体模拟计算结果如图5~图7所示。
速度场仿真结果如图5所示。从仿真结果可以看出,阵列孔流场区域的速度大致分布在0~3.127m/s之间,速度值大小与孔深径比呈正相关,本发明仿真计算得到流场速度最大值为1.961m/s,符合实际加工情况,仿真模拟结果较为理想,可为阵列孔流场仿真提供理论支撑。
压力场仿真结果如图6所示。从压力分布情况可以看出,阵列孔内侧孔由于工作液无法有效流动到外部空间,压力升高,达到最大值(孔深径比为2时中间孔加工间隙底部压力仿真值最大为3.2×105Pa),但总体压力值均低于标准大气压,在阵列孔出口处压力呈扩散式分布,仿真误差在可以接受的范围内,模拟计算结果符合实际情况,可以反映出阵列孔流场分布的主要特点。
实施例2:电蚀颗粒排出模拟结果如图7所示。从电蚀颗粒分布情况可以看出,阵列电极外侧孔电蚀颗粒分布较多且各有不同而内侧孔相对较少,而且孔深径比越大的阵列孔的工作液流速和加工间隙内的压强也随之增大,电蚀颗粒排出孔外所经历的路径增大,故加工间隙内部空间电蚀颗粒的排出过程愈加困难,而孔深径比较小的阵列孔的放电区域内单次放电能量大,放电程度激烈,容易引起烧伤工件造成产品破坏或报废,仿真模拟结果非常符合实际情况,可以反映出阵列孔流场的主要特点。
计算流体动力学领域中对流场速度仿真的精度要求很高,本发明提供的一种基于阵列孔电火花超声复合加工的流场仿真方法,利用数值方法对电火花超声复合加工过程中油槽内工作液部分进行仿真模拟,耦合流场、压力场以及固体电蚀颗粒,对工作液的流速、压力以及电蚀颗粒的排出过程进行模拟计算,可比较直观地观察到电火花超声复合加工阵列孔过程中电蚀颗粒的分布情况,通过数值模拟可以仿真分析导致阵列孔内外侧孔孔径不一致的原因。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种阵列孔电火花超声复合加工流场仿真方法,其特征在于,包含以下步骤:
A、利用ANSYS workbench软件建立阵列孔三维几何模型;利用经验公式法对阵列电极间加工间隙进行估算,计算得到阵列电极部分底面及侧边加工间隙的估计值,进而得到阵列孔三维几何模型;本次计算中不考虑放电击穿及二次放电的影响;
B、运用交错网格技术将步骤A中所得到的三维几何模型导入到FLUENT mesh中进行网格划分,得到阵列孔有限元模型,根据计算需要设定流场边界条件,并对流场区域各参数进行初始化,其中流场边界条件包括进口边界、出口边界以及壁面边界;
C、在FLUENT中设置动网格模型模拟计算超声振动作用下阵列电极周围网格的剧烈变化;
D、利用FLUENT软件求解阵列孔流场物理模型,并输出流体流动参数,其中流场物理模型包括:湍流模型、多相流模型、离散相模型。
2.根据权利要求1所述的一种阵列孔电火花超声复合加工流场仿真方法,其特征在于,所述三维几何模型阵列孔深径比为0.5~2。
3.根据权利要求1所述的一种阵列孔电火花超声复合加工流场仿真方法,其特征在于,所述步骤C中所述动网格模型采用铺层、弹簧光顺、局部重构体网格再生方法。
4.根据权利要求1所述的一种阵列孔电火花超声复合加工流场仿真方法,其特征在于,所述步骤D中所述湍流模型采用RNG模型。
5.根据权利要求1所述的一种阵列孔电火花超声复合加工流场仿真方法,其特征在于,所述步骤D中所述多相流模型采用VOF模型。
6.根据权利要求1所述的一种阵列孔电火花超声复合加工流场仿真方法,其特征在于,所述步骤D中所述离散相模型用来模拟计算加工过程中电蚀颗粒的产生速率。
7.根据权利要求6所述的一种阵列孔电火花超声复合加工流场仿真方法,其特征在于,所述步骤D具体内容为:利用MAPLE方法对阵列孔流场物理模型进行离散化处理,求解FLUENT软件的雷诺平均N-S控制方程,对流体的速度和压力进行求解;如果控制方程收敛,则所有流场参数即为最终结果,如果控制方程不收敛,对所有流场初始参数添加松弛因子后重新返回上一步,直至控制方程收敛。
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