CFRP三维细观切削仿真质量缩放系数的快速选取方法技术

本发明专利技术CFRP三维细观切削仿真质量缩放系数的选取方法属于复合材料切削仿真领域，涉及一种基于有限元仿真的CFRP三维细观切削仿真质量缩放系数的选取方法。该方法首先建立复合材料细观几何模型并划分网格，分别赋予各网格部件相应的材料属性并定义材料方向。在装配模块中，导入各网格部件，通过平移、旋转等操作与约束设置各部件间的相对位置。采用动态显式分析步，设置接触与边界条件；最后，提交分析。该方法适用于不同的切削速度，利用该方法，能够实现不同切削速度下CFRP三维细观切削中质量缩放系数的高效选取，在保证计算精度的前提下提高计算效率，有利于CFRP三维细观切削模型的发展完善以及CFRP切削机理研究。

A fast selection method of mass scaling coefficient for three-dimensional micro cutting simulation of CFRP

The present invention belongs to the field of composite material cutting simulation, and relates to a method for selecting the mass scaling coefficient of CFRP 3D micro cutting simulation based on finite element simulation. In this method, the meso geometric model of composite materials is established and meshed, and the corresponding material properties and material directions of each mesh component are given respectively. In the assembly module, each grid part is imported, and the relative position of each part is set through translation, rotation and other operations and constraints. The dynamic explicit analysis step is used to set the contact and boundary conditions. Finally, the analysis is submitted. This method is suitable for different cutting speeds. By using this method, the mass scaling coefficient can be effectively selected in the three-dimensional micro cutting of CFRP at different cutting speeds. On the premise of ensuring the calculation accuracy, the calculation efficiency can be improved, which is conducive to the development and improvement of the three-dimensional micro cutting model of CFRP and the research of the cutting mechanism of CFRP.

【技术实现步骤摘要】
CFRP三维细观切削仿真质量缩放系数的快速选取方法
本专利技术属于复合材料切削仿真领域，涉及一种基于有限元仿真的CFRP三维细观切削仿真质量缩放系数的快速选取方法。
技术介绍
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)以其优异的力学性能，广泛应用于航空航天等高端装备领域。然而，由于其非均质及各向异性等特点，CFRP在加工中损伤频发，严重影响零部件性能及其可靠性。因此，为从根源上抑制加工损伤，必须深入研究CFRP的加工机理，分析其加工损伤的形成机制。有限元仿真，尤其是三维细观切削仿真是研究复合材料加工机理最有效的方法。它能很好地模拟多根纤维与树脂及刀具之间的相互作用，并且能够方便地观察材料去除过程。然而，CFRP三维细观切削仿真计算效率通常很低，往往需要几天甚至几周的时间计算。此外，现有的模型大多基于许多简化与假设，后续完善的模型需要考虑更多复杂的因素，其计算效率将进一步降低，严重阻碍CFRP加工的研究。因此，必须在保证计算精度的情况下，尽可能提高计算效率，推进CFRP切削的研究。通常来说，提高计算效率的方法主要包括提高网格划分质量和质量缩放两个方面。对前者来说，由于CFRP三维细观模型中存在极小的几何尺寸，限制了单元的大小，因此，该方法对计算效率的提升效果不明显。后者则没有这种限制，是这种情况下比较好的一种方法。然而，由于质量缩放的本质是人为地修改单元密度，这无疑会对计算精度造成影响。因此，必须在保证计算精度的前提上合理地使用质量缩放。对于切削速度很低(小于10mm/s)的复合材料切削仿真分析，通常认为其满足准静态假设，采用准静态准则判断选用的质量缩放是否合理。当分析过程中的动能占据内能的10％以下即为合理。2007年Rao等在《COMPOSITESSCIENCEANDTECHNOLOGY》杂志发表的“MachiningofUD-GFRPcompositeschipformationmechanism”中采用准静态的评价标准，在二维GFRP细观切削仿真中对不同相采用不同的质量缩放系数；2014年Agarwal等在InternationalMechanicalEngineeringCongressandExposition会议上发表的“MODELLINGOFORTHOGONALCUTTINGOFIDEALIZEDFRPCOMPOSITES”同样采用了这种评价方法。然而，这些文献中采用的切削速度都很低，远小于实际加工中常用的铣削和钻削速度。随着模型的进一步完善，需要模拟更高的切削速度，同时考虑更多复杂的因素，仿真分析中的动态效应越来越明显，难以满足准静态前提。此时，需要重新确定合适的质量缩放系数，而合适的质量缩放系数只能通过计算一组不同质量缩放系数的模型来选择，这需要进行大量的计算，严重影响了CFRP三维细观模型的发展和完善。因此，亟需一种CFRP三维细观切削仿真中质量缩放系数的快速选择方法，来大量减少试验工作的计算量。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服现有技术缺陷，专利技术一种CFRP三维细观切削仿真质量缩放系数的快速选取方法。该方法基于计算开始阶段中工件动内能关系，只需对计算开始很短一段时间的动内能进行比较分析，即可获知该系数是否合适，从而大量减少试验工作计算量，能高效地确定合适的质量缩放系数；此外，鉴于该方法考虑了速度与动能的直接关系，不同于准静态标准中动能相比内能可以忽略的要求，因此适用于不同的切削速度。该方法计算开始阶段内的动内能比，不需完全计算模型，即可获知该系数是否合适从而进行调整，很大程度上减少了试验工作计算量。方法简单、实用，能够实现不同切削速度下CFRP三维细观切削中质量缩放系数的高效选取，从而提高计算效率。本专利技术采用的技术方案是一种CFRP三维细观切削仿真质量缩放系数的快速选取方法，其特征是，该方法基于ABAQUS有限元仿真计算软件，对于一个特定的CFRP三维细观切削模型，在给定的速度下，分别对一组不同质量缩放系数的模型进行计算，获得计算开始阶段的工件动能与内能，并对其比值进行分析；忽略由于数值不稳定造成的明显的波动，计算开始阶段的动内能比值接近1的质量缩放系数，即满足保证计算精度的前提下提高计算效率的目标；方法的具体步骤如下：步骤1：建立复合材料细观几何模型并划分网格，包括纤维、树脂、界面及作为支撑部分的等效均质材料；其中，纤维直径为D，界面厚度为h，其长度均为L；建立刀具几何模型，并设置参考点；刀具前角为α，后角为β，刃圆半径为r；所有部件均设置为三维变形体，并划分六面体单元，单元类型为一阶减缩积分，为各部件生成网格部件用于后续的装配；步骤2：分别赋予各网格部件相应的材料属性，并定义材料方向；由于纤维是横观各向同性脆性材料，采用线弹性假设以及最大应力失效准则：假设其单元积分点拉应力或者剪应力达到失效强度即失效，没有损伤演化；定义材料方向：1方向为沿纤维方向，2、3方向为垂直纤维方向；树脂采用弹塑性本构，剪切失效准则，认为当等效塑性应变达到失效应变时出现损伤，采用线性损伤演化；界面采用类似于树脂的材料模型，强度略弱于树脂；等效均质材料仅提供支撑作用，不考虑其失效删除，因而只设置密度与弹性模量；为提高计算速度，不考虑刀具磨损，因此在接下来的步骤中将刀具部件约束为刚体；步骤3：在装配模块中，导入各网格部件，通过平移、旋转等操作与约束设置各部件间的相对位置；步骤4：设置分析步与输出变量；由于CFRP三维细观切削仿真中存在复杂的非线性问题，采用动态显式分析步，设置质量缩放系数f；由于随着切削速度的增加，动态效应明显，不满足准静态假设与准则；为了快速选择合适的质量缩放系数这一目的，需要一个易于分辨且响应迅速的变量，考虑到动内能比值具有快速响应和较少波动的特征，选择方法仍基于动内能比值这一变量，但为了减少试验工作的计算量，仅需计算开始阶段内的动内能比值；为获得该比值，需要在历史输出管理器中，为工件部分单独设置能量输出；步骤5：设置接触与边界条件；各组成相间通过Tie约束连接在一起；刀具-工件间设置基于节点与罚接触方法的surface-to-surfacecontact，此外，为避免各相间的相互侵入，设置通用接触，其中为避免重复计算，去除所有面与刀具面的接触；在load模块中，通过ENCASTER固定工件底部和背部，通过velocity/angularvelocity在刀具参考点设置切削速度；步骤6：提交分析，获得计算开始阶段内的动能与内能；对工件动能与内能的比值进行分析，判断所选质量缩放系数是否合适；通过结果文件中的历史变量输出获得内能与动能，从而获取工件动内能比值，动能与内能计算公式如下：其中，EK为动能，EU为内能，ρ为当前的密度，ν为速度场向量，V为体积，σ为应力，ε为应变，U0为0时刻的能量；忽略明显的由于数值不稳定引起的波动，若其比值峰值接近于1，则该系数为合适的质量缩放系数，若不满足，根据比值峰值与1的关系放大或减小质量缩放系数，重复步骤4-6，直至满足上述条件。本专利技术的有益效果是针对CFRP三维细观切削仿真中，切削速度较高时，质量缩放系数选择困难的问题，专利技术了一种质量缩放系数的快速选择方法。该方法关注计算开始阶段内的动内能比，不需完全计算模型，即可获知该系数是否合适从而进行调整，很本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种CFRP三维细观切削仿真质量缩放系数的选取方法，其特征是，该方法基于ABAQUS有限元仿真计算软件，对于一个特定的CFRP三维细观切削模型，在给定的速度下，分别计算一组不同质量缩放系数的模型，获得计算开始部分的工件动能与内能，并对其比值进行分析；忽略由于数值不稳定造成的明显的波动，开始阶段内动内能比值接近1的质量缩放系数即满足保证计算精度的前提下提高计算效率的目标；方法的具体步骤如下：步骤1：建立复合材料细观几何模型并划分网格，包括纤维、树脂、界面及作为支撑部分的等效均质材料；其中，纤维直径为D，界面厚度为h，其长度均为L；建立刀具几何模型，并设置参考点，其前角为α，后角为β，刃圆半径为r；所有部件均设置为三维变形体，并划分为六面体单元，单元类型为一阶减缩积分，为各部件生成网格部件用于后续的装配；步骤2：分别赋予各网格部件相应的材料属性，并定义相应的材料方向；由于纤维是横观各向同性脆性材料，采用线弹性假设以及最大应力失效准则：假设其单元积分点拉应力或者剪应力达到失效强度即失效，没有损伤演化；定义纤维材料方向：1方向为沿纤维方向，2、3方向为垂直纤维方向；树脂采用弹塑性本构，剪切失效准则，当等效塑性应变达到失效应变时损伤开始，采用线性损伤演化；界面采用类似于树脂的材料模型，强度略弱于树脂；等效均质材料仅提供支撑作用，不考虑其失效删除，因而只设置密度与弹性模量；为提高计算速度，不考虑刀具磨损，因此在接下来的步骤中将刀具部件约束为刚体；步骤3：在装配模块中，导入各网格部件，通过平移、旋转等操作与约束设置各部件间的相对位置；步骤4：设置分析步与输出变量；由于CFRP三维细观切削仿真中存在复杂的非线性问题，采用动态显式分析步，设置质量缩放系数f；随着切削速度的增加，动态效应明显，不满足准静态假设的前提；为了质量缩放系数的快速合理选择这一目的，需要一个易于分辨且响应迅速的变量，考虑到动内能比值具有快速响应和较少波动的特征，选择方法仍基于动内能比值这一变量，但为了减少试验工作的计算量，仅需计算开始阶段内的动内能比值；为获得该比值，需要在历史输出管理器中，为工件部分单独设置能量输出；步骤5：设置接触与边界条件；各组成相间通过Tie约束连接在一起；刀具‑工件间设置基于节点与罚接触方法的surface‑to‑surface contact，为避免各相间的相互侵入，设置通用接触；为避免重复计算，去除所有面与刀具面的接触；在load模块中，通过ENCASTER固定工件底部和背部，通过velocity/angular velocity在刀具参考点设置切削速度；步骤6：提交分析；为获得计算开始阶段内的动能与内能，对工件动能与内能的比值进行分析，判断所选质量缩放系数是否合适；通过结果文件中的历史变量输出获得内能与动能，从而获取工件动内能比值；动内能计算公式为：...

【技术特征摘要】
1.一种CFRP三维细观切削仿真质量缩放系数的选取方法，其特征是，该方法基于ABAQUS有限元仿真计算软件，对于一个特定的CFRP三维细观切削模型，在给定的速度下，分别计算一组不同质量缩放系数的模型，获得计算开始部分的工件动能与内能，并对其比值进行分析；忽略由于数值不稳定造成的明显的波动，开始阶段内动内能比值接近1的质量缩放系数即满足保证计算精度的前提下提高计算效率的目标；方法的具体步骤如下：步骤1：建立复合材料细观几何模型并划分网格，包括纤维、树脂、界面及作为支撑部分的等效均质材料；其中，纤维直径为D，界面厚度为h，其长度均为L；建立刀具几何模型，并设置参考点，其前角为α，后角为β，刃圆半径为r；所有部件均设置为三维变形体，并划分为六面体单元，单元类型为一阶减缩积分，为各部件生成网格部件用于后续的装配；步骤2：分别赋予各网格部件相应的材料属性，并定义相应的材料方向；由于纤维是横观各向同性脆性材料，采用线弹性假设以及最大应力失效准则：假设其单元积分点拉应力或者剪应力达到失效强度即失效，没有损伤演化；定义纤维材料方向：1方向为沿纤维方向，2、3方向为垂直纤维方向；树脂采用弹塑性本构，剪切失效准则，当等效塑性应变达到失效应变时损伤开始，采用线性损伤演化；界面采用类似于树脂的材料模型，强度略弱于树脂；等效均质材料仅提供支撑作用，不考虑其失效删除，因而只设置密度与弹性模量；为提高计算速度，不考虑刀具磨损，因此在接下来的步骤中将刀具部件约束为刚体；步骤3：在装配模块中，导入各网格部件，通过平移、旋转等操作与约束设置各部件...

【专利技术属性】
技术研发人员：王福吉，赵翔，贾振元，王小楠，谷天雨，张博宇，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21