基于LS-DYNA的超高速磨削仿真研究

论文摘要

塑性金属材料由于其机械性能优良,价格适当,机械加工性能好,因此在机械工程中应用十分广泛。而硬脆材料由于其具有优良的机械、热学等性能,近年来也被广泛应用于航空航天、机械、军事、精密制造等领域。在机械加工中,磨削过程是一个复杂的物理变化过程,在磨削过程中,普通金属材料是以塑性变形去除的,而硬脆材料是以显微塑性变形及脆性断裂去除材料的,因此,本论文将超高速磨削工艺应用于两种材料的加工,力求获得良好的加工质量的同时,深入研究对于不同性能材料的磨削加工机理,分析磨削参数对磨削力、表面质量的影响,为实际的机械加工提供了理论支持。本文通过有限元法对普通金属材料及硬脆材料的超高速磨削过程进行了仿真研究。同时鉴于硬脆材料优异的机械、热学等性能,针对硬脆材料建立了磨削力的数学模型,并对其磨削过程中的磨削力,去除方式等做了详细的理论分析和研究。论文的研究工作主要包括以下几方面：(1)通过流固耦合有限元法模拟单颗磨粒的切削过程和多颗磨粒磨粒划擦的磨削仿真和材料形貌的描述,并对磨削过程中的参数对磨削力的影响进行比较和分析。(2)建立六面锥体的磨粒和磨削的物理模型,结合仿真模型参数和磨削经典公式模型,推导出一个比较合理的单颗磨粒的硬脆材料磨削加工数学模型。(3)通过采用Lagrange算法进行单颗磨粒切削工程陶瓷的仿真研究,并通过改变磨粒速度及切削深度研究硬脆材料的塑性变形去除和脆性断裂去除方式及其磨削力的变化情况。研究和分析在磨削过程中,塑性变形阶段和脆性断裂阶段磨削参数对磨削力的影响。(4)通过仿真对比单颗磨粒切削塑性金属材料和硬脆材料的结果,分析砂轮速度、磨削深度、材料性能等因素对磨削力及材料表面质量的影响,为提高加工效率和表面加工质量提供可行的理论方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 虚拟现实仿真技术的发展概述及应用
• 1.2.1 国外虚拟现实仿真技术的发展概述
• 1.2.2 国内虚拟现实仿真技术的发展概述
• 1.2.3 虚拟现实仿真技术的特征
• 1.2.4 虚拟现实仿真技术的发展前景
• 1.3 超高速磨削的发展概述及应用前景
• 1.3.1 国外超高速磨削技术的发展概述
• 1.3.2 国内超高速磨削技术的发展概述
• 1.3.3 超高速磨削的特点和发展方向
• 1.4 基于磨削仿真的有限元法理论分析
• 1.4.1 有限元法的求解特点
• 1.4.2 有限元单元算法
• 1.4.3 有限元单元特性分析
• 1.5 有限元法对于磨削仿真的应用
• 1.6 论文研究的意义和主要内容
• 1.6.1 论文研究的内容
• 1.6.2 研究的意义
• 1.6.3 论文研究的框架
• 1.7 本章小结
• 第2章 塑性和硬脆材料磨削的基础理论
• 2.1 普通磨削加工
• 2.1.1 磨削加工过程
• 2.1.2 砂轮的磨削特性
• 2.2 塑性材料磨削的基础理论
• 2.2.1 磨粒的切削作用与磨削过程
• 2.2.2 磨削过程的磨削要素
• 2.3 硬脆材料去除机理
• 2.3.1 压痕断裂力学模型
• 2.3.2 切削模型近似
• 2.4 磨削力的理论公式
• 2.4.1 G.Werner的磨削力数学模型
• 2.4.2 李力钧和傅杰才的磨削力数学模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 塑性材料的磨削加工仿真
• 3.1 磨削加工的有限元仿真分析
• 3.1.1 前处理设置
• 3.1.2 求解计算
• 3.1.3 后处理
• 3.2 单颗磨粒的磨削仿真条件
• 3.2.1 材料模型
• 3.2.2 加工材料
• 3.2.3 单颗粒磨削条件
• 3.2.4 仿真模型的生成
• 3.3 磨削加工仿真结果分析
• 3.3.1 切削45#钢的磨削力随切削深度和速度变化的仿真结果及分析
• 3.3.2 切削TC4的磨削力随切削深度和速度变化的仿真结果及分析
• 3.3.3 切削Q235的磨削力随切削深度和速度变化的仿真结果及分析
• 3.4 仿真结果对比分析
• 3.5 工件表面形貌仿真
• 3.5.1 多颗粒加工模型的建立
• 3.5.2 仿真结果及分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 硬脆材料超高速磨削力数学模型
• 4.1 硬脆材料的应用及加工方法
• 4.1.1 硬脆材料的性能及应用
• 4.1.2 硬脆材料的加工方法
• 4.2 硬脆材料的单颗磨粒加工过程
• 4.2.1 磨粒的切削过程
• 4.2.2 磨粒的磨削过程
• 4.2.3 硬脆材料的磨削表面
• 4.3 硬脆材料超高速磨削力数学模型的建立
• 4.3.1 单颗磨粒磨削力
• 4.3.2 建立工程陶瓷磨削力的数学模型
• 4.4 本章小结
• 第5章 硬脆材料的磨削加工仿真
• 5.1 单颗磨粒切削硬脆材料的仿真
• 5.1.1 磨削仿真条件
• 5.1.2 工程陶瓷的去除过程
• 5.1.3 单颗磨粒切削金属材料和硬脆材料的对比
• 5.2 磨削力的仿真研究
• 5.2.1 材料选择
• 5.2.2 磨削陶瓷的仿真条件
• 5.3 磨削力仿真结果分析
• 5.3.1 加工SiC的磨削力仿真结果及分析
• 5.3.2 仿真结果对比分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢