有限元仿真分析（精选十篇）
有限元仿真分析 篇1
2006年大连机车引进了不锈钢城轨车体生产线, 并先后承接大连快轨金州延伸线、沈阳地铁2号线、天津地铁2号线城轨地铁车辆的生产。
不锈钢相对传统碳钢城轨车有外表面无需涂装, 可有效实现车辆轻量化, 可有效提高车辆使用寿命等优点。虽然有以上优点, 但是奥氏体不锈钢热膨胀系数是钢的1.1倍, 弹性模量大, 抗拉强度屈服强度大, 这些特点决定了不锈钢车体从设计到制造都与碳钢车体有着很大的不同。它决不是简单的材料替换, 而是一种全新的车体, 因此开发周期和质量都难以控制。
在不锈钢车体中有大量的冲压件, 对不锈钢车体的生产起着至关重要的作用。回弹是冲压模具设计中要考虑的重要因素之一。回弹现象主要表现为整体卸载回弹、切边回弹和局部卸载回弹, 当回弹量大于允许容差时, 就会影响冲压件的产品精度, 从而产生缺陷产品。因此, 回弹一直是影响、制约模具和产品质量的重要因素。本文以地铁车辆中的连接板为例, 使用DYNAFORM软件对板材进行冲压成形模拟仿真, 预测冲压所产生的回弹, 为模具的设计提供前期依据。
1 DYNAFORM介绍
美国ETA公司和LSTC公司联合研发的DYNAFORM软件, 是一种基于有限元方法建立, 模拟仿真板料成型过程的专用软件。Dynaform软件包含BSE、DFE、Formability三个大模块, 能够完成坯料形状、压边力、拉延筋、冲压速度等几乎所有冲压模具设计参数。
回弹是一种小变形过程, 是在加载完成后卸载过程中产生的。但是在回弹过程中毛坯的所有点不会同时处于卸载状态中, 部分点存在加载的可能。因此成型模拟的准确性会影响回弹模拟的准确性。
DYNAFORM使用混合计算方法来分析回弹变形, 为避免准静态隐式积分算法中的迭代计算, 成型的模拟采用动态显式积分算法。回弹时, 卸载起主要作用, 工件主要为弹性变形, 而静态隐式算法可以得到较为准确的计算结果。所以DYNAFORM采用动态显示算法模拟成型过程, 以静态隐式算法计算回弹。
DYNAFORM的前处理功能非常丰富。目前主流CAD软件的图形文件均能快速准确的导入DYNAFORM中, 同时模具设计人员在DYNAFORM中也可以自行创建几何模型。通过DYNAFORM中的DFE模块、BSE模块能够帮助模具设计人员设计出模具、坯料和排样等, 从而在模具设计前期为用户提供初步的可行性分析。
LS-DYNA软件作为DYNAFORM的求解器是目前业界公认的板料成型模拟分析结果最准确的软件之一。LS-DYNA软件通过动力显式求解器模拟冲压过程, 完成冲压模拟分析后, LS-DYNA软件自动转换为隐式求解器进行回弹分析。
ETA-Post软件是ETA公司针对DYNAFORM专门开发的后处理软件。用户通过ETA-Post软件可以产看板料变形后应力、应变的云图, 从而对求解结果可以更直观的了解。此外, ETA-Post软件还能将冲压过程中的各种参数随时间变化的曲线通过曲线图标显示, 方便设计人员查阅。
因此目前, 在机械制造业、大学等科研单位DYNAFORM已得到广泛应用[3]。
2 冲压成形的数值模拟仿真
2.1 网格的划分
网格划分将有限元仿真分析计算的精度和计算量, 因此网格划分是建立有限元模型的重要步骤。模具网格的划分要根据网格数目、网格疏密、单元阶次、网格质量、网格分界面分界点、位移协调性等因素综合考量。坯料划分网格的时候, 可通过软件的自适应网格划分技术, 先采用单元数目较少的均匀分布。在计算过程中, 根据局部变形的剧烈程度, 对变形剧烈的区域软件自动地进行二次网格划分, 这样不仅能够保证计算精度, 还能提高计算的效率。图1为坯料最终的网格划分。
2.2 材料的选取
毛坯材料为SUS304不锈钢, 厚度t=2mm, 选用软件数据库提供的36号材料模型作为本次模拟计算的有限元单元类型, 其主要参数如下:杨氏模量E=207GPa, 泊松比V=0.3。
2.3 模拟结果的分析
图2所示是连接板回弹后的厚向位移分布云图。
3 结论
通过DYNAFORM软件仿真计算能够较为准确模拟板料的冲压过程, 预测板料在冲压操作过程中可能产生的回弹变量, 使模具设计人员在模具试制之前及时完善冲压工艺, 提高模具设计精度, 缩短模具试制时间, 减少修模次数, 从而降低模具研发成本, 缩短模具开发周期。
参考文献
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[2]薛松, 周杰, 罗征志, 阳德森.保险杠内板成型回弹模拟分析及工艺控制.锻压设备与制造技术2005年第四期重庆:重庆大学, 2005.
分层切削加工有限元仿真分析 篇2
采用有限元分析方法,利用有限元增量理论,建立了二维金属切削仿真模型,分析中采用网格自适应准则,模拟了金属分层切削加工过程.得到了每次切削加工的.切削力、工件变形和加工后已加工表面的残余应力的大小以及分布状况,并进行了分析.
作 者：董兆伟 张以都 刘胜永 万晓航 作者单位：董兆伟,张以都(北京航空航天大学机械工程及自动化学院)刘胜永(河北师范大学职业技术学院)
万晓航(河北工业职业技术学院)
刊 名：航空制造技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)：2007 “”(7) 分类号：V2 关键词：有限元 网格重划分 切削力 残余应力★ 铝合金高效加工切削参数研究论文
★ 螺旋伞齿轮在5轴加工中心上的切削加工
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有限元仿真分析 篇3
关键词：保温时间 升降温时间 热平衡时间 温度场 数值仿真
中图分类号：TN249 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）06（b）-0042-03
过保温会引发设备相关结构部件的尺寸和形状产生热变形误差，产生机械故障而使其性能下降和使用寿命降低。国军标GJB150A[1]、美军标MIL-STD-810F[2]和英军标DEF 07-55[3]提出用直接测量法来确定设备在高低温环境中适应能力。但人工测量费时费力，若采用放置温度传感器的方法，对不同结构的设备，复杂程度不同。若要求精确得到试验温度稳定时间，对温度传感器数量的确定、放置位置的细化选择是否科学合理（包括能否放置进精密仪器内问题、放置后对试验的影响、舱门和箱盖能否关闭）等多种问题可能同时存在。GJB150的修订版GJB200X[4]强调新的设备环境试验标准在试验程序的选取和试验方案的制定上的剪裁性。目前国内对温度试验技术及温度环境对设备影响的相关研究还不够全面。若要在试验前确定试验温度稳定时间，目前尚无结构模型可以衡量，也无基础性科学研究和理论数据支撑。
1 数值仿真研究
1.1 数学计算分析[5]
（1）内部微分方程，非稳态、具有内热源的设备内部导热微分方程为：
式（1）中：T=T（x，y，z，t）（K）为热力学温度分布函数；t（s）为时间；λ（W/（m·K））为微元材料的导热系数；微元材料单位质量定压热容为（J/（kg·K））；微元物质的密度为ρ（kg/m3）；（W/m3）为微元单位体积的热生成率。由式（1）可知，发生导热过程的设备内任意一点的温度随时间和空间的变化取决于其各部分材料的导热系数、比热容、密度和热生成率。
（2）外部微分方程，武器装备外表面与试验箱内空气之间通过对流和辐射方式进行热交换，属于第三类边界条件，换热规律表达式如式（2）所示：
为外表面法向的单位矢量；α（W/（m·K））为外表面与试验箱内空气之间的对流传热系数；（K）为试件外表面的热力学温度；（K）为试验箱内空气热力学温度；ε为系统黑度，亦称辐射系数；（W/（m2·K4））为波尔兹曼常数，其值为5.67×10-8；为辐射角系数即形状因子。
（3）有限元矩阵，在有限元热分析系统中，热传递温度场控制方程见式（3）：
式（3）中：[C]为比热矩阵；{}为节点温度的时间导数；{T}为节点温度向量；[K]为有效传导矩阵；{Q}为有效的节点热流率向量。根据式（3），再根据边界条件和初始条件，可在数值分析软件中求出温度试验时试件温度场的有限元近似解。
1.2 研究对象及模型建立
通过查阅国内外近几年来的相关技术资料[6-9]，了解温度场机理、工作流程及步骤。结合几种典型武器装备，建立可调整结构模型，仿真分析主要从以下几个方面进行。
（1）材料设置，炮体选用52Mn，精密电子仪器部件可简化为灌封材料聚氨酯、高频线路板，材料属性可查。
（2）边界条件，初始温度设置为室温25 ℃。为保证足够长的计算时间使所有位置温度达到平衡，经试算确定模型外表面温度加载历程如图1所示。
按照实际试验曲线，当空间温度达到30 ℃时，保温20 h；再经过升温到60 ℃，保温30 h。
（3）仿真建模及测点分布，为证明开展“基于有限元分析软件的武器装备温度场数值仿真研究”的可行性，该报告以两种结构方舱为例进行模型建立和布置测点，如图2、3和4所示。
图2为简单结构方舱有限元模型及温度测点位置示意。从测点1到测点6沿右侧方舱壁—空气—左侧方舱壁的途径横贯整个简单结构方舱中部。
图3为复杂结构方舱模型及温度测点位置示意。空气测点位于模型中央处，电路板在模型内部，外部不可见。
图4为精密电子仪器部件测点位置分布示意。精密电子仪器部件装载在各个薄壁箱体中，聚氨酯为填充材料，电路板为主要组成部分，温度测点位于箱体中部。
2 计算结果
2.1 简单结构方舱
简单结构方舱部分时刻温度场云图如图5，各测点温度历程曲线如图6。
结果分析：简单结构方舱模型靠近箱体壁面的测点1和测点5最先达到温度平衡，加载30 ℃时，10 h后所有节点温度都已在29.2 ℃以上，之后缓慢进入平衡状态；温度加载60 ℃时，10 h后所有温度在59.3 ℃以上，之后缓慢进入平衡状态。
2.2 复杂结构方舱
复杂结构方舱部分时刻温度场云图如图7，各测点温度历程曲线如图8。
结果分析：模型2中线路板测点离上箱面较近，加载30 ℃时，线路板测点1、2、3、4在2.83 h时温度已达30 ℃，随后0.5 h内，所有线路板测点温度达到平衡温度30 ℃；加载60 ℃时，5 h后线路板测点1、2、3、4达到平衡温度60 ℃，随后1.5 h内，所有测点达到平衡温度60 ℃。模型2中空气测点加载30 ℃时18.8 h温度平衡，加载60 ℃时，28 h后温度平衡。
3 结语
为对武器装备建立某种可调整结构的有限元模型，在试验前与主持单位及厂家进行曲线合理性分析，解决温度场分布及热应力应变场分布问题。该文以上述两种结构方舱的散热设计分析为例，进行数值仿真分析，结果表明：在温度变化情况下，试验线路板部件等重要测试部件内部会产生热应力、应变，是其结构破坏的重要影响因素。后期若进一步研究，可以此次分析模型温度场结果为边界条件，进行线路板或线路板安装的子模型热应力耦合分析，得到详细温度加载过程热应力应变结果，进一步对其结构稳定性进行评估。
参考文献
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[2]美国国防部.MIL-STD-810F，国防部试验方法标准-环境工程考虑和实验室试验[S].2006.
[3]英国国防部.DEF 07-55，国防部试验方法标准-环境工程考虑和实验室试验[S].2007.
[4]中国人民解放军总装备部.GJB 200X，军用装备实验室环境试验方法第3部分：高温试验[S].北京：总装备部军标出版发行部，2009：1-8.
[5]杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，2011.
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[9]马占龙，王高文，张健，等.基于有限元及神经网络的磨削温度仿真预测[J].电子测量与仪器学报，2013，27（11）：
汽车转向器总成有限元仿真分析 篇4
1 汽车转向器模型建立
本文所研究的转向器为齿轮齿条式液压动力转向器, 由壳体总成、阀体总成、齿条、齿轮轴总成、齿条支承座总成、调整机构总成、左右拉杆总成、左右油管总成等零部件组成。依据产品图纸, 在CATIA软件中零件设计模块绘制零件数模, 如图2所示, 在装配设计模块中对各零件施加约束将其装配在一起, 如图3所示。
2 汽车转向器有限元分析
有限元仿真前处理使用Hyper Mesh软件, 分析计算使用ABAQUS软件, 结构静力分析用于完成结构线性和非线性的静力分析和动态静力分析。静力分析方程为:{F}[K]{}式中:[K]为刚度矩阵;{}为节点位移矢量;{F}为静力载荷向量。静力分析中不考虑随时间变化的载荷, 忽略惯性力和阻尼。如果材料为线弹性, 结构小变形, 则[K]是常量, 求解的是静力线性问题;如果[K]为变量, 则求解的是静力非线性问题[1]。根据位移函数, 由弹性力学中给出的应变和位移关系, 可计算出应变为:ÁÁÂÁÃÂÄÁÂÂÁ式中:[B]为应变矩阵;{}Á为节点位移矢量;{}为应变向量。那么应力为:{}[D]{}[D][B]{}e式中:{}为应力向量;[D]为弹性矩阵。
2.1 文件导入。
将建立好的CATIAProduct三维数模导入Hy-per Mesh软件, 对三维数模进行几何修理。
2.2 设置材料属性。
创建各个零部件的材料和属性, 编辑设定各材料的密度、弹性模量、泊松比, 并将材料赋予相应的属性, 再将属性赋予相应的各零部件。该转向器各零部件材料参数如表1所示。
2.3 划分网格。
有限元网格是进行有限元分析的基础, 单元质量的好坏通常直接决定求解结果的好坏。对于同一个模型, 不同的划分会将导致不同的结果, 有时候甚至会导致完全错误的结果。本研究在Hyper Mesh中做网格划分, 齿条、齿轮轴是汽车转向器里的关键受力部件, 所以采用六面体网格, 壳体、阀体、拉杆等零部件形状不规则, 采用四面体网格, 网格大小约为2mm。划分网格后的模型如图4所示。
2.4 创建接触面和相互作用。
各零部件之间需要接触对连接起来。设定摩擦系数为0.05的接触属性, 分别在各零部件接触部位选面网格, 添加接触并创建接触对, 刚性连接的两个零件用1D单元BEAM连接。
2.5 创建载荷和边界条件。
根据该汽车转向器的试验受力条件, 对转向器拉杆球销位置分别施加一个压力13500N, 一个拉力1350N, 在壳体安装孔位置施加全约束。如图5所示。创建载荷步, 设置为静力学分析, 设定初始增量和最大增量, 选择边界条件, 设置输出项目, 导出要分析计算的inp文件。
2.6 求解和后处理。
调用ABAQUS软件计算后台, 指定计算导出的inp文件, 计算完成后用Hyperview查看计算结果。各零部件应力分析结果如图6~9所示。
3 结论
从应力云图中可以看出壳体的最大应力发生在安装孔位置为120.368MPa, 小于材料ZL107的抗拉强度;齿轮轴和齿条的最大应力发生在啮合部位, 分别为351.708MPa和676.2MPa均小于材料的屈服强度1152MPa和1800MPa;拉杆的最大应力为800.489MPa, 小于材料的抗拉强度980MPa, 各零件应力均小于材料的许用应力, 说明此转向器设计合理, 可以满足使用要求。
参考文献
有限元仿真分析 篇5
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切槽加工刀片的有限元仿真与分析 篇6
21世纪初期是中国汽车行业的黄金时期, 尤其是近些年, 中国的汽车行业更是获得了长足的发展。作为汽车的核心部件, 发动机的制造和发展越来越受到行业的关注, 国内、外汽车品牌纷纷设立发动机工厂, 包括发动机五大件之一的凸轮轴在内的汽车零配件的加工技术正处于蒸蒸日上态势。凸轮轴是发动机中配气机构中的重要部件, 控制着发动机进、排气门的开启和关闭, 对整个发动机的动力性、经济性和排放等起着非常重要的作用。而凸轮轴属于细长轴类零件, 刚性差、易变形是其主要的加工特点[1,2]。因此, 凸轮轴加工后的性能与质量将直接影响发动机整机性能。
本文针对特定客户生产的钢质凸轮轴半成品的加工特点, 设计出一款可转位硬质合金切槽加工刀片, 利用Advant Edge FEM仿真软件对切槽加工刀片进行了仿真分析, 为切槽加工推荐出了科学的切削参数。并通过Mises等效应力分析, 说明了切槽加工刀片仿真模型的合理性。
1 钢质凸轮轴半成品及其6.90 mm槽宽结构
钢质凸轮轴半成品 (切槽后、凸轮尚未成型) 如图1所示。该产品需加工的槽包括5 mm、6.90 mm、14 mm, 其中6.90 mm宽度的槽最多且典型, 6.90 mm宽度槽结构见图1中放大图。
以该特定的槽宽6.90 mm, 底部圆弧半径R2.0 mm作为研究对象, 其技术要求如下:1) 槽宽尺寸符合要求, 公差为±0.05 mm;2) 工件槽的侧面粗糙度不高于Ra3.2;3) 工件槽底部无明显接刀痕迹, 表面光洁;4) 切槽加工过程稳定。
2 Advant Edge软件简介
Advant Edge是专业的有限元分析仿真软件, 能够通过设置机加工切削要素, 对切削加工进行有限元计算和分析, 通过仿真结果模拟真实切削加工, 可从中得出各种切削加工性能指标, 供用户改进加工性能。
使用该软件, 可以在一定程度上减少昂贵的实验费用, 改善刀具的磨损和寿命, 达到提高生产效率及机床使用率的目的。FEM是Advant Edge软件中的一个模块, 该模块能够进行微观及宏观的加工分析, 模拟加工中材料的性能、力、热、切屑等;提供详细的铣削、车削、钻孔、镗削等工艺分析类型, 具备丰富的后处理功能[2]。
3 有限元模型的建立
目前用于切削数值的模拟方法主要有Euler法和Lagrange法。Lagrange法是固体分析方法, 有限元网格随着工件的变形而变形。由于在切削过程中, 切屑成形后的形状不是固定的, 需要不断调整空间网格来描述边界条件。因此, 本文选用Lagrange法建立有限元模型, 充分利用Advant Edge中的自适应网格技术, 提高运算精度[3,4]。
3.1 三维几何模型的建立
结合上述钢质凸轮轴半成品加工要求, 使用三维建模软件UG进行切槽刀片的造型设计, 使其外形满足宽6.90 mm刀尖圆弧半径R2.0 mm要求, 然后将其转存为stp格式, 再导入到Advant Edge FEM有限元软件中。模拟仿真用三维模型及外形尺寸如图2所示, 图3为其二维模型图形尺寸。
3.2 有限元网格划分及模拟参数的确定
对切槽加工刀片和工件的有限元网格进行划分, 如表1所示。
切槽加工刀片网格化后的模型如图4所示。
3.3 模拟参数的设定
根据实际情况, 设置刀具、工件材料。模拟分析采用的刀片为自主研制的6.90 mm宽切槽刀片, 其槽型结构参数见表2;工件直接选用工件材料库中的45钢, 工艺参数设置对话框如图5所示, 最终建立的模型如图6所示[3,4]。
4 切槽加工仿真分析
4.1 切削参数的正交实验设计
正交实验设计是一种非常有效的解决切削问题的方法。在切削实验中使用合适的正交实验设计方法, 能够大幅度地减少切削实验的次数从而迅速找到最佳的切削参数搭配, 能够迅速有效地解决加工问题。以切削速度Vc和进给量Fn作为实验的2个因素, 采用切削温度T和切削力F作为试验指标, 水平数选择3, 多方面考虑实验的次数和结果, 结合具体的生产加工节拍和工艺, 可以在切削参数的经验值范围内选择3水平因素值, 如表3所示[6,7,8,9]。
4.2 切槽加工过程仿真
参照表3, 能够确定选用L9 (34) 正交表来进行实验, 如表4所示。先按照表中的参数进行仿真运算, 再提取出仿真结果, 如图7所示。
从图7切削温度和切削力仿真结果云图以及表4正交实验结果可以看出:1) 切屑温度最高达到1 007℃, 刀具温度最高达到944℃, 切屑温度较刀具温度稍高, 切槽加工过程中, 切屑能够带走大部分的热量, 切屑的形成状况对刀具的寿命影响很大。2) 切削过程当中刀具部位的最高温度主要分布在刀具前刀面与切屑接触的狭小区域。因此, 若切削加工参数选择不合理, 将导致切削温度迅速升高, 刀尖、刀刃容易产生粘结磨损。
4.3 切槽加工过程切削温度分析
极差分析法的特点是简单易懂、计算简便和直观形象, 是正交实验结果分析中最为普遍采取的方法。运用极差分析法, 能够对因素的主次顺序、因素的最优水平组合进行确定, 并绘制因素水平与指标趋势图。参照极差分析法, 可以计算出切槽过程各切削参数下的温度平均值, 如切削速度Vc在水平1下的温度平均值为TVc.1= (812.124+900.656+1 007.33) ÷3=906.7℃。同样, 切削速度Vc在水平1下的切削力平均值为FVc.1= (6 500+7 500+9 000) ÷3=7 666.67 N。
同样的道理, 计算出其他切削参数在各水平下的切槽加工切削温度和切削力均值, 并绘制切削参数-切削温度图 (图8) 和切削参数-切削力图 (图9) 。
可以得出结论如下:1) 切削温度随进给速度的增加而上升, 切削力也随进给速度的增加而上升;2) 切削速度达到220 m/min时, 在Fn=0.20~0.30 mm/r区间, 该切削速度下产生的切削温度比其他切削速度产生的温度都高, 即切削温度在220 m/min时达到峰值, 随后降低;3) 综合考虑切槽加工的切削参数时应尽量避开极易产生切削温度峰值的切削速度, 如该场合下的Vc=220 m/min是不应被选用的, 选择时可选择低于或高于该切削速度, 由于切槽加工情况复杂, 一般建议在速度较低的情况下进行, 如80~210 m/min的线速度都是比较合适的;进给量推荐Fn=0.20~0.25 mm/r。
4.4 切槽加工Mises等效应力云图分析
切槽加工特点是:1) 它是一个主刀刃和2个副刀刃同时进行的三面切削, 被加工材料塑性变形复杂, 摩擦阻力大, 加工进给量小, 切削厚度薄, 平均变形大, 单位切削力增大, 总切削力与功耗大, 有统计它比一般外圆切削大20%左右。同时产生切削热多, 散热差, 切削温度很高;2) 随着切削的深入, 工件直径不断减小, 切削速度不断变化, 切削力也在不断变化;3) 车削方式切槽加工的实质是:在工件旋转的同时将刀具以一定进给切入, 其在工件加工表面形成的是阿基米德螺旋线, 因此切削加工过程中实际的前角和后角在不断地发生变化, 使加工过程更为复杂。
Mises stress作为一种等效应力, 通过应力等值线表示刀具模型内部的应力分布状况, 它可以清晰地描述出同一种结果在整个模型中的变化分布。切槽加工Mises等效应力云图如图10所示。
从Mises等效应力云图中可以明显看出, 在可转位切槽加工刀片的主切削刃、两副切削刃和圆弧刃, 以及刀片的后角面处所受到的Mises Stress为最大, 达到1 000 MPa;其受力状况与槽加工特点是一致的, 从而说明了可转位切槽加工刀片仿真模型的合理性。
5 结语
1) 通过切削温度T和切削力F的正交实验仿真分析, 考虑到加工效率、工件受力弯曲等方面因素, 推荐切槽加工切削参数:切削速度不应高于220 m/min, 即Vc<220 m/min, 以180~210 m/min为宜;进给量推荐Fn=0.20~0.25 mm/r;
2) 通过Mises等效应力云图可以看出, 其受力状况与切槽加工特点是相吻合的, 从而说明了可转位切槽加工刀片仿真模型的合理性, 为可转位切槽加工刀片产品的成功开发提供了理论依据。
参考文献
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氧化锆陶瓷切削加工有限元仿真分析 篇7
氧化锆是一种耐高温、耐腐蚀、耐磨损而且具有优良导电性能的无机非金属材料[1],广泛应用于机械、电子、汽车、航空航天以及生物医学等领域。但与金属材料相比,氧化锆陶瓷脆性大、韧性低、导热性差,在切削产生的热应力、切削力等因素的作用下,易产生裂纹,从而导致断裂韧性和抗弯强度下降,使工件过早损坏。采用有限元方法,对不同切削条件下的氧化锆陶瓷切削加工过程进行仿真,分析其切削机理、优化加工工艺参数、提高加工质量等具有重要的意义。
1 有限元模型的建立
1.1 本构关系
与金属切削加工不同,陶瓷切削加工存在裂纹生成和扩展,以及加工后的残留表面裂纹,一般应用断裂力学理论分析陶瓷材料的切削机理[2]。断裂力学是研究带裂纹的构件或部件在各种外部环境条件下,裂纹萌生、扩展和失稳的学科。因此,基于断裂力学来描述氧化锆陶瓷切削过程中的本构关系是合理的。
根据裂纹在外力作用下扩展方式的不同,断裂力学研究中通常把材料中常见的裂纹分为张开型(I型)、滑开型(II型)、撕开型(III型)。其中I型裂纹是工程上最为常见最为危险的一种类型。
裂纹扩展判据可表述为G≥Gc或K≥Kc。机械能释放率G与应力场强度K具有等效性,Gc和Kc为临界值。
对于I型裂纹,在平面应力条件下:
而在平面应变条件下则有:
E为弹性模量,V为泊松比。对于II型和III型裂纹同样可以导出类似的关系[3]。
脆性材料的断裂与金属材料的断裂显著不同。对金属来讲,裂纹尖端有一个塑性区,而在陶瓷、混凝土等材料的裂缝扩展前缘则存在很多微细裂缝,这些微细裂缝仍然能传递一定的拉应力,从而使得应力达到强度极限时,材料不会立即破坏,此时不适合用应力强度因子K作为判据[4]。瑞典学者Hillerborg等从断裂能角度出发,提出了虚拟裂缝模型(FCM)[5],即用有应力作用的虚拟裂缝来模拟微裂缝,并将虚拟裂缝间应力的传递规律用图1(a)所示的应力-裂缝宽度(σ-w)曲线来表示,并存在如下关系:
为了简化计算,Hillerborg将曲线简化为图1(b)所示的直线形式,ft为应力临界值,w1为裂缝最大宽度,则(4)
以上考虑的是由拉应力引起的I型断裂形式。在对于由剪应力引起的II型、III型裂纹。由于通过实验测量剪应变非常困难,因此对于受剪性能目前多采用基于实验的简化计算方法。
1.2 材料模型及参数
有限元分析软件ABAQUS具有强大的功能,尤其是在非线性分析方面。Brittle Cracking是ABAQUS提供的一种材料模型,适用于以拉伸破坏为主要破坏方式的脆性材料。该模型不以单独的宏观裂纹系统为研究对象,而是研究复杂的微裂纹系统,以虚拟裂缝模型为理论基础,提供了应力-裂缝宽度曲线、应力-应变曲线和应力-断裂能曲线三种定义方式。
研究采用的是秦皇岛爱迪特高技术陶瓷有限公司提供的牙科用氧化锆陶瓷坯材(完全烧结),其性能参数如表1所示。其中断裂韧度、抗弯强度、单轴抗拉强度、单轴抗压强度、弹性模量、泊松比等参数由中南大学现代分析测试中心进行测试,机械能释放率由公式(2)计算得出,其余数据由爱迪特公司提供。
1.3 几何模型
工件和刀具采用正交切削模型。虽然实际切削加工中的大多数情况属于斜角切削方式,但在理论和实验研究工作中,则比较常用正交切削方式。在陶瓷切削加工中,常用硬质合金、陶瓷、金刚石以及CBN等较硬的刀具材料,在不考虑刀具磨损的前提下可将刀具视为刚体。工件设为变形体,尺寸为3mmx1mm。为了防止出现应变集中问题,网格密度适宜即可,本研究中网格划分为6952个。
2 仿真结果及分析
分别取切削深度0.1mm、0.07mm、0.05mm、0.03mm、0.01mm,刀具前角-50,进给量20mm/min,无冷却条件进行仿真。
2.1 切削机理
氧化锆陶瓷切削加工时,应力主要集中在刀刃前下方,当最大主应力达到材料的抗拉强度时产生图2所示的裂纹,向刀具前下方开始扩展,并在剪应力的作用下,发生方向改变,扩展到工件表面,形成图3所示的凹坑,如果扩展不到表面,则成为工件内部的残留裂纹。图4为切削深度0.03mm时氧化锆陶瓷切削加工表面形貌,裂纹扩展到表面形成的凹坑清晰可见。
2.2 应力变化
从图5所示的裂纹尖端处单元最大主应力变化曲线上可以看出,最大主应力达到峰值时产生裂纹,单元的应力没有立即为0,而是经过了一个时间过程降为0,这与FCM理论相吻合。
2.3 切削深度的影响
切削深度对裂纹的产生和分布有着重要的影响。切削深度较大时,初始裂纹可能无法扩展到工件表面,残留在工件内部,如图6所示。随着切削深度的减小,裂纹深度减小,裂纹以扩展到表面形成凹坑为主,如图3所示。图7所示当切削深度减小到0.01mm时,氧化锆陶瓷的材料去除由脆性断裂模式转为塑性去除。
3 结论
运用有限元方法和断裂力学理论对氧化锆陶瓷的切削加工过程进行仿真,进而分析切削机理、优化工艺参数是合理可行的。由于难以测量以及方便计算等原因,剪应力、拉应力的计算采用了简化算法。此外有限元模型中,对温度变化、刀具磨损、机床振动等因素未加以考虑,需要根据实际工况加以考虑和解决。
参考文献
[1]任永国,刘自强,杨凯等.氧化锆材料种类及应用[J].中国陶瓷,2008(4):44-46
[2]于思远.工程陶瓷材料的加工技术及其应用[M].北京:机械工业出版社,2008
[3]龚江宏.陶瓷材料断裂力学[M].北京:清华大学出版社,2001
[4]江见鲸.混凝土结构有限元分析[M].北京:清华大学出版社,2005
压力表弹簧管的有限元仿真分析 篇8
1 模型建立
在Ansys中建立压力表弹簧管的几何模型, 。其中压力表弹簧管的圆心角为270度、其横截面的长轴半径为10mm、其横截面的短轴半径为3mm、其半径为55mm。其整体为壳体结构。
2 Ansys有限元仿真分析
定义单元类型为SHELL63, 弹性模量为116000MPa, 泊松比为0.3, 压力表弹簧管所受的压力为0.7MPa, 定义压力表弹簧管厚度为0.7mm。
对模型分别进行自定义划分, 网格尺寸设置为1mm, 划分网格后, 压力表弹簧管模型中节点数为15988, 单元数为15964。
为真实模拟压力表弹簧管加载时的变形情况, 压力表弹簧模型施加的边界条件为将压力表弹簧管开口一端附近的部分进行全部约束[1], 在压力表弹簧管的内表面施加0.7 MPa的压强。
3 结果分析
根据图1, 压力表弹簧管加载前相对于加载后的形状变化, 压力表弹簧管模型加载后相对于加前曲率半径变大[2]。自由端处的位移变化明显, 其位移变化最大值为3.8961mm。
根据图2, 压力表弹簧管模型加载时应力主要集中在压力表弹簧管圆弧部分。其最大应力出现在压力表弹簧管两侧边缘部分, 其值为148.664MPa。根据图3, 压力表弹簧管加载时最大的位移出现在压力表弹簧管自由端附近, 其值为3.8961mm。
根据系统动力学原理, 具有n个自由度的离散化结构的振动方程为[3]:
M为结构的质量矩阵, C为结构的阻尼矩阵, K为结构的刚度矩阵, x (t) 为节点位移。
设其解为
则其特征方程为|[K]-w2[M]|=0 (3)
则w即为该阵型的固有频率, 与固有频率w对应的特征向量为该系统的模态阵型[4]。
运用Ansys软件进行模态分析求解, 定义压力表弹簧管的密度为8.9×10-9t/mm3, 其它相关参数与前述参数一致, 共提取前二阶模态频率。其计算结果和对应阵型如表1所示。
分析表明, 模态分析固有频率与符合实际计算结果, 其显示的振型变化也符合证明建模方法与分析过程均是正确的。
4 结论
在Ansys中建立压力表弹簧管的几何模型, , 然后通过Ansys对压力表弹簧管进行对应的材料赋值, 再对压力表弹簧管加载进行有限元分析, 得到压力表弹簧管加载情况下的应力云图、位移云图。从分析结果中得到压力表弹簧管加载后的最大位移值和最大应力值。对压力表弹簧管进行加载前的模态分析, 可获得其前二阶的固有频率。弹簧管自由端最大位移和最大应力的仿真分析结果可为压力表的设计和改装提供参考依据。弹簧管的模态分析结果可以对弹簧管和压力仪表的减震设计和结构优化提供一定的参考依据, 并为更加复杂的动力学分析提供参考。
摘要：在Ansys中建立压力表弹簧管的几何模型, 对模型进行加载前和加载后的有限元分析, 得到压力表弹簧管在工作状态下的应力云图、位移云图。从云图中可得压力表弹簧管的最大应力出现在压力表弹簧管圆弧部分。对弹簧管进行模态分析, 得到弹簧管加载前的前两阶模态的固有频率。仿真分析结果符合实际并可以为压力表弹簧管的设计提供一定的参考。
关键词：压力表,有限元分析,压力表弹簧管
参考文献
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[3]吴振亭, 章志芳.基于CAE技术的C型弹簧管优化设计[J].仪器仪表学报, 2005, 05:525-527..
有限元仿真分析 篇9
切削加工过程非常复杂,涉及的学科及影响因素较多,因此,传统的研究方法主要是基于实验数据并辅以理论分析,很难对切削机理进行定量分析和研究。近年来,基于有限元方法的对切削加工过程的研究为切削加工过程的研究提供了一种新型的手段和方法,其仿真结果的参数较为丰富,不失为一种较为经济实用的方法,实践表明切削工艺和切削形成的有限元模拟对了解切削机理及切削的形成等有很大帮助。
切削温度是切削加工一个重要的参数指标,其直接影响刀具的磨损和使用寿命,并影响工件的加工精度和加工表面的完整性。所以,研究切削热和切削温度的产生和变化规律,对研究金属切削过程具有重要意义。
1 正交切削加工切削热的分析
切削热是切削过程中的重要物理量,图1所示是正交切削过程切削热的产生和传导图[1],切削热的产生主要来自于第一变形区的剪切变形,第二变形区前刀面与切屑的摩擦和第三变形区后刀面与工件已加工表面的摩擦。当刀具锋利且后刀面没有磨损时,第三变形区的产生的热量并不多。
切削变形产生的热量通过与外界环境的热交换,最终表现为切削温度,包括切削区域的平均切削温度和切削区温度场情况。前者一般用自然热电偶法,而切削区的温度场分析较为麻烦,一般采取自然热电偶或红外照相法等方法测量[2,3],较为复杂。所以,切削区域的温度场分析做的较少。本文基于Deform-2D软件对正交切削过程的温度场进行探讨,其分析结果较为符合实际,对今后的研究具有一定的指导意义。
2 切削加工的有限元仿真
图2所示是正交切削的有限元仿真分析模型,切削速度v=250m/min,切削层厚度ac=0.4mm,工件宽度w=2mm,刀具前角γ0=5°,α0=5°,切削刃钝圆半径rn=0.02mm,刀具-工件间摩擦系数为0.6,热传导率为40,刀具材料为WC硬质合金,工件材料为AISI-1045(相当于45号钢),环境温度取20℃,不用冷却液。
金属切削加工过程表现为金属的变形较大,对于这种切削模型的有限元仿真,在有限元网格畸变到一定程度之后,系统必须能够自动重划分网格,图3所示分别为切削前的网格和切削到一定子步(500步)的网格情况。可以看出加工前加工区域较密,其它区域较疏。而切削到500步时网格自动重划分的情况,变形较大的区域网格始终较密。实际上,在仿真过程中,系统会根据网格畸变情况及时自动的多次重划分网格。
图4所示是有限元仿真温度场的部分仿真结果,其中分别取了10、100、250和500步的结果。从第10子步可以看出切削初期主要是剪切变形产生的热量,到第100子步基本上已表现出了剪切变形和摩擦变形产生的热量,到250子步以后切削变形区的热量基本变现出了变形区的温度场,第500子步的结果与250子步基本相似。
从图4中500步的分析结果可以看出稳定切削后的温度场分布情况,可以看出剪切区开始温度增加,且切屑与前刀面的摩擦进一步增加了温度提高。为进一步详细观察,图5用等高线图分别表示出切屑与刀尖部分的温度场情况,其中最高温度约为699℃~714℃,刀具上的温度为偏小值。利用软件自带的测量功能,可以测量出刀具上最高温度点距离刀尖约0.48mm。
3 仿真温度场的分析
通过以上仿真结果可以看出切削塑性材料时温度场的分布规律。
1)剪切面上的温度几乎相同;
2)最高温度点不出现在刀尖上,而是略滞后,其中最高温度出现在前刀面与切屑接触处距离刀尖约0.48mm的位置上,这说明前刀面与切屑摩擦产生了较多的热量;
3)在第一变形区,垂直剪切面方向上的温度梯度最大;在第二变形区的最高点处,垂直与前刀面方向上温度梯度最大;在切屑的横截面上温度梯度最大;
4)工件已加工表面的温度与剪切区温度基本同,说明第三变形区产生的摩擦热较少,这是由于仿真条件时没有考虑后刀面的磨损且刀尖较为锋利。
4 结论
利用有限元方法可以有效地仿真出正交切削加工的全过程,并可详细分析分析切削过程中各阶段的温度场的变化,利用计算还可以以动画的形式观察,其模拟的结果与传统的研究[1]较为吻合。这说明有限元仿真辅助切削过程的研究具有较为实际的意义,也是近年来业界研究较多的方法之一[4~6]。
参考文献
[1]陈日曜.金属切削原理[M].北京:机械工业出版社,2000.
[2]刘战强,等.切削温度测量方法综述[J].工具技术,2002(3).
[3]段春争,等.高速切削温度场测量技术研究现状[J].机械设计与制造,2008(4).
[4]孟辉.高速切削温度场的有限元分析[J].工具技术,2005(4).
[5]郑夕健,戚作秋,等.正交切削加工过程仿真[J].计算机辅助工程.2007(12).
有限元仿真分析 篇10
由于车载机柜的应用环境比较恶劣, 在机柜的结构设计上应尽量避免或减小由于高低温、振动冲击、电磁干扰等不利因素对电气性能造成的影响。
在机柜的使用过程中, 通常要经受来自各方面的振动和冲击, 当振动量超出容许的范围后, 将会影响机柜结构的工作性能, 使机柜的部件产生附加的动载荷, 从而缩短使用寿命, 并严重影响机柜中电子设备的正常工作。
20世纪70年代以来, 由于电子计算机技术的发展, 振动理论分析得到迅速的发展和完善。特别是近年来用于提高计算精度和计算效率的动力有限元分析理论、模态分析理论和振动计算方法 (如有限元计算方法) 的发展, 为振动系统的模态分析和参数识别技术、结构动力修改技术等的发展提供了有力的支持[1]。所以使用ANSYS有限元分析软件有助于提高产品的可靠性, 并由此缩短产品的开发时间, 减低成本。
1机柜结构特点和材料的力学性能
1.1机柜的结构特点
该机柜主要由机柜骨架、门板、电子设备抽屉等组成。机柜骨架由钢板焊接而成, 门板与骨架通过螺栓连接, 电子设备抽屉通过导轨与机柜骨架相接。
1.2机柜材料的力学性能
机柜结构主要部位均采用材料Q 235钢, 材料的力学性能如表1所示。取安全系数为1.5, 材料的屈服强度为345MPa, 所以材料的许用应力为230MPa
机柜的实体模型如图1所示。图中Z向代表垂向, X向代表横向, Y向代表纵向。
2机柜有限元模型
在分析了机柜的结构特点和材料的力学性能的基础上, 采用有限元软件ANSYS建立了机柜的有限元模型。
机柜结构部件基本是薄壁的板梁构件, 各构件在厚度方向上的尺寸远小于在长度和宽度方向上的尺寸, 所以采用壳单元SHELL63构建, 在建立实体模型时, 一般以板结构的中性层选取模型尺寸, 通过实常数定义不同板壳的厚度;燕尾槽型铝型材采用实体单元SOLID45构建;隔振器采用弹簧-阻尼单元COMBIN14构建;抽屉里的电子设备质量通过改变抽屉下盖板的密度实现。
对于各部件间的螺栓连接, 本文以相关节点的耦合进行模拟。耦合是有限元中建立节点自由度之间的特殊关系的技术。利用这些技术能进行单元做不到的自由度连接。耦合技术迫使两个或多个自由度取得相同但未知的值, 耦合自由度集包含一个主自由度和一个或多个其它自由度[2]。
模型中共有18 923个节点, 21 240个单元, 其中壳单元16 203个, 实体单元4 695个, 弹簧-阻尼单元360个。机柜的有限元模型如图2所示。
3模态分析
模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性, 即结构的固有频率和振型, 它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数[3]。
表2中详细的列出了机柜的前41阶自振频率。图3和图4分别为机柜的第一和第二阶模态振型。
4机柜设备冲击响应分析[4]
4.1机柜设备半正弦波冲击响应分析
机柜设备冲击试验中经常采用的规范是20 g/11 ms的半正弦波冲击, 该曲线是以时间—加速度为坐标轴输出的。在ANSYS瞬态动力学分析中一种比较可行的方法是转化为位移载荷的形式施加激励, 这就需要对原始的加速度半正弦曲线按时间做两次积分, 求得相应的位移曲线。式1为积分后的位移曲线。
经过计算分析, 机柜在受到垂向、横向和纵向冲击时, 机柜骨架和门板的TOP面、BOTTOM面的最大应力值如表3和4所示。从表中可以看出, 最大应力值为57.3 MPa, 小于材料的许用应力230 MPa, 所以机柜的强度满足要求。图5～图6为机柜在受到垂向半正弦波冲击时机柜骨架和门板的TOP面应力云图。
4.2机柜设备后峰锯齿波冲击响应分析
对于20 g/11 ms的后峰锯齿波冲击, 同样采用5.1节中所述的方法, 对原始的加速度后峰锯齿波曲线按时间做两次积分, 求得相应的位移曲线, 并以位移载荷的形式施加激励。式2为积分后的位移曲线。
经过计算分析, 机柜在受到垂向、横向和纵向冲击时, 机柜骨架和门板的TOP面、BOTTOM面的最大应力值如表5和表6所示。从表中可以看出, 最大应力值为135.2 MPa, 小于材料的许用应力230 MPa, 机柜的强度满足要求。图7～图8为机柜在受到垂向后峰锯齿波冲击时机柜骨架和门板的TOP面应力云图。
5结论
通过以上对车载机柜的强度计算分析可以得出以下结论:
(1) 车载机柜有着本身的结构特点。焊接和螺栓连接是机柜的主要连接方式。使用壳单元模拟机柜结构, 耦合模拟螺栓连接的有限元处理方法是机柜强度分析的有效手段。
(2) 该车载机柜的强度和模态满足要求。
参考文献
[1]季馨.电子设备振动分析与试验.南京:东南大学出版社, 1992
[2]葛建立, 杨国来, 陈运生.某车载炮摇架和上架的静动态有限元设计.力学与实践, 2007; (3) :41—44
[3]朱西平, 韩小平, 岳珠峰.冲击载荷作用下复合材料层板动态力学性能的实验研究.科学技术与工程, 2005; (3) :182—184
