一种机理与数据融合的金属切削仿真过程不确定校准方法技术

本发明专利技术属于铣削加工相关技术领域，并公开了一种机理与数据融合的金属切削仿真过程不确定校准方法。该方法包括下列步骤：S1建立材料JC本构系数与理论剪切流动应力间的映射关系；构建铣削加工实验，以此形成切削参数与实际剪切流动应力的数据集；利用该数据集以及本构系数与理论剪切流动应力间的映射关系计算求解获得JC本构系数，以此实现JC本构系数的校准；S2建立铣削加工仿真模型，然后建立该仿真模型的有限元代理模型；构建有限元仿真实验，以此获得切削参数和摩擦系数与实际切削力一一对应的数据集；利用该数据集与所述有限元代理模型计算获得摩擦系数，以此实现摩擦系数的校准。通过本发明专利技术，用于提升仿真模型的精度与效率。效率。效率。

【技术实现步骤摘要】
一种机理与数据融合的金属切削仿真过程不确定校准方法


[0001]本专利技术属于铣削加工相关
，更具体地，涉及一种机理与数据融合的金属切削仿真过程不确定校准方法。

技术介绍

[0002]有限元仿真技术广泛应用于加工领域，例如切削力、切削热、残余应力以及加工变形的仿真，其显著降低了实验的成本，具有广泛的工业应用前景。
[0003]在金属切削有限元仿真过程中，被切削材料的JC本构系数、刀具
‑
切屑摩擦系数等参数本身存在不确定因素，其设置过程会对最终的仿真结果产生显著的影响。在不同的刀具
‑
材料加工工艺系统中，材料JC本构系数、刀具
‑
切屑摩擦系数并非定值，它们本身会随着切削参数、切削过程的变化而动态地发生变化。目前绝大多数仿真模型中，并未考虑到上述参数内在的不确定因素，往往将上述参数作为定值输入到仿真模型中，从而大大限制了模型的仿真精度。
[0004]采用常规的实验手段对模型中存在的不确定因素进行量化，这个过程往往极为费时且昂贵。在小样本工况数据下，如何实现金属切削仿真模型中不确定因素的快速校准，为有限元仿真技术在加工领域的应用带来了不小的挑战。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种机理与数据融合的金属切削仿真过程不确定校准方法，对仿真模型中材料JC本构系数、刀具
‑
切屑摩擦系数等材料物理特性参数中所包含的不确定因素进行校准，以提升模型的预测精度与预测效率。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种机理与数据融合的金属切削仿真过程不确定校准方法，该方法包括下列步骤：
[0007]S1 JC本构系数的校准
[0008]建立铣削加工中关于JC本构系数α的滑移线场力学机理模型m(α)，并建立材料JC本构系数与理论剪切流动应力间的映射关系；构建铣削加工实验，该铣削加工实验中，该实验中切削参数作为输入，实际切削力作为输出，以此建立切削参数和切削力一一对应的实验数据集Q，利用该实验数据集中的切削力计算相应的实际剪切流动应力，以此形成切削参数与实际剪切流动应力的数据集Q1；利用该数据集Q1以及所述本构系数与理论剪切流动应力间的映射关系计算求解获得JC本构系数，以此实现JC本构系数的校准；
[0009]S2摩擦系数的校准
[0010]建立铣削加工仿真模型，该仿真模型中滑动摩擦系数和切削参数作为输入，切削力作为输出，然后建立该仿真模型的有限元代理模型；以切削参数和摩擦系数作为输入，实际切削力作为输出构建有限元仿真实验，以此获得切削参数和摩擦系数与实际切削力一一对应的数据集Q2；利用该数据集Q2与所述有限元代理模型计算获得摩擦系数，以此实现摩擦系数的校准。
[0011]进一步优选地，在步骤S1中，所述建立材料JC本构系数与理论剪切流动应力间的映射关系按照下列进行：
[0012]τ
ref
＝m(α)
[0013][0014]其中，A、B、C、m以及n为材料JC本构系数，它们共同构成α，ε为剪切面上的等效应变，为等效应变速率，ε0为参考应变速率，T为剪切面上的温度，T
m
为材料的熔点，T
r
为室温。
[0015]进一步优选地，在步骤S1中，所述利用切削力计算相应的实际剪切流动应力，按照下列关系式进行：
[0016]τ＝F
s
/A
S
[0017]A
S
＝hω/sinφ
n
[0018]其中，τ是实际切削力，F
S
为剪切面上的剪切力，A
S
是切触区域面积(刀具
‑
工件实际接触面积)
[0019]进一步优选地，在步骤S1中，所述JC本构系数是按照下列方式计算获得：
[0020]首先建立实际剪切流动应力τ与理论剪切流动应力τ
ref
之间的关系式；然后采基于贝叶斯推论建立JC本构系数和实际剪切流动应力的贝叶斯方程；最后利用改进的多维吉布斯参数求解策略求解计算获得JC本构系数。
[0021]进一步优选地，所述贝叶斯按照下列进行：
[0022]f(α|τ)＝f(τ|α)f(α)/f(τ)
∝
f(τ|α)f(α)
[0023]其中，实际剪切流动应力τ的对数似然方程表示为：
[0024][0025]其中，log代表对数计算符号，f(
·
)代表概率密度函数，τ代表实际剪切流动应力，α代表JC本构系数，k1代表剪切流动应力实验数据的组数(即加工实验的组数)，τ0代表实际剪切流动应力与理论剪切流动应力之间偏差的方差值，m(
·
)代表剪切流动应力机理模型。
[0026]进一步优选地，所述改进的多维吉布斯参数求解策略按照下列步骤进行：
[0027]S11对建立关于参数A、B、C、m和n的马尔科夫链关系式β
t
＝(A(t)，B(t)，C(t)，m(t)，n(t))，并对各个参数赋予初值，实现马尔科夫链的初始化；
[0028]S12设定循环次数和接受率，分别对参数A、B、C、m和n进行赋值，根据接受率和循环次数实时更新马尔科夫链；
[0029]S13对每一次随机采样的结果的马尔科夫链进行统计，统计其对应的每个A、B、C、m和n出现的频次，分别取每个参数的中位数计算JC本构系数，以此实现JC本构系数的求解。
[0030]进一步优选地，在步骤S2中，所述摩擦系数采用贝叶斯推论和改进的多维吉布斯参数求解策略求解获得。
[0031]进一步优选地，在步骤S1和S2中，所述切削参数为切削速度、每齿进给量、切削深度和切削宽度。
[0032]进一步优选地，在步骤S2中，在实现摩擦系数的校准后，还需对该摩擦系数进行验
证，在所述有限元仿真实验中，利用校准获得的摩擦系数预测切削力获得切削力的预测值，将该预测值与有限元仿真实验的预测值进行比较计算获得偏差阈值，当偏差阈值不在预设可接受范围内时，增加所述有限元仿真实验数据，直至偏差阈值在预设可接受范围内。
[0033]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
[0034]1.本专利技术采用切削力学机理模型与铣削加工工况数据混合驱动的方式结合贝叶斯求解方法，实现了金属切削过程中金属JC本构系数的校准，采用该方式的求解方法，可以降低本构系数校准过程所需的工况数据量，并在保证求解精度的情况下提升求解效率；
[0035]2.本专利技术采用有限元仿真机理模型、高斯代理模型与铣削加工工况数据混合驱动的方式，结合贝叶斯求解方法，实现了金属切削过程中金属摩擦系数的校准；该方法有效降低摩擦系数校准过程所需的工况数据量，并在保证求解精度的情况下提升求解效率；
[0036]3.本专利技术采用混合驱动的方式，实现本构系数以及摩擦系数的快速精准辨识，经本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机理与数据融合的金属切削仿真过程不确定校准方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：S1JC本构系数的校准建立铣削加工中关于JC本构系数α的滑移线场力学机理模型m(α)，并建立材料JC本构系数与理论剪切流动应力间的映射关系；构建铣削加工实验，该铣削加工实验中，该实验中切削参数作为输入，实际切削力作为输出，以此建立切削参数和切削力一一对应的实验数据集Q，利用该实验数据集中的切削力计算相应的实际剪切流动应力，以此形成切削参数与实际剪切流动应力的数据集Q1；利用该数据集Q1以及所述本构系数与理论剪切流动应力间的映射关系计算求解获得JC本构系数，以此实现JC本构系数的校准；S2摩擦系数的校准建立铣削加工仿真模型，该仿真模型中滑动摩擦系数和切削参数作为输入，切削力作为输出，然后建立该仿真模型的有限元代理模型；以切削参数和摩擦系数作为输入，实际切削力作为输出构建有限元仿真实验，以此获得切削参数和摩擦系数与实际切削力一一对应的数据集Q2；利用该数据集Q2与所述有限元代理模型计算获得摩擦系数，以此实现摩擦系数的校准。2.如权利要求1所述的一种机理与数据融合的金属切削仿真过程不确定校准方法，其特征在于，在步骤S1中，所述建立材料JC本构系数与理论剪切流动应力间的映射关系按照下列进行：τ
ref
＝m(α)其中，A、B、C、m以及n为材料JC本构系数，它们共同构成α，ε为剪切面上的等效应变，为等效应变速率，ε0为参考应变速率，T为剪切面上的温度，T
m
为材料的熔点，T
r
为室温。3.如权利要求1或2所述的一种机理与数据融合的金属切削仿真过程不确定校准方法，其特征在于，在步骤S1中，所述利用切削力计算相应的实际剪切流动应力，按照下列关系式进行：τ＝F
s
/A
S
A
S
＝hω/sinφ
n
其中，τ是实际切削力，F
S
为剪切面上的剪切力，A
S
是切触区域面积。4.如权利要求1或2所述的一种机理与数据融合的金属切削仿真过程不确定校准方法，其特征在于，在步骤S1中，所述JC本构系数是按照下列方式计算获得：首先建立实际剪切流动应力τ与理论剪切流动应力τ
ref
...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭芳瑜，孙豪，赵晟强，张腾，张驰，闫蓉，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：