金属基复合材料振动切削机理仿真分析与实验研究

发布时间：2020-11-18 22:52

　　 颗粒增强金属基复合材料具有良好的力学性能,但由于存在增强颗粒,其加工起来比较困难。超声振动切削技术在切削难加工材料方面显示出优势,但关于颗粒增强金属基复合材料的振动切削加工研究,更多的偏向于宏观实验研究。本研究的目标是,从细观层面上明确颗粒增强金属基复合材料的振动切削机理,这对于进一步优化加工工艺具有重要的指导意义。通过分析颗粒强化理论及颗粒增强复合材料的复合制备原则,确定了颗粒增强相的几何参数。基于颗粒增强复合材料有限元模拟理论,分析了各相材料的特性尤其是界面的特征和性能,对几何和网格模型进行了合理简化。讨论了颗粒的分布方式对模型的影响,确定了颗粒增强复合材料正交切削几何模型。此外,基于切削仿真理论,确定了工件的材料模型以及损伤失效模型等。基于Python语言,对ABAQUS前处理过程进行了二次开发,实现了参数化地快速建模。研究了能使颗粒具有体分比可变、尺寸可变,颗粒分布随机且无交叉等特点的算法。建立了能合理地反映材料的应力应变分布情况,及多种加工工况(颗粒在切削路径的上、中、下位置)的有限元模型。通过给颗粒定义与基体相同的材料属性,降低了模型验证成本,并实现了基于同一几何模型,观察增强颗粒加入后的切削机理变化情况的目的。通过设计振动切削实验,验证了建模方法的合理性,并基于其研究了颗粒增强金属基复合材料的振动切削机理。分别研究了增强颗粒及振动冲击作用的加入,对工件材料的切削力、已加工表面质量、应力的传递和起始裂纹的产生的影响。揭示了“应力倾向于在'颗粒对'之间传递”这一应力传递机制,及“振动切削能使颗粒周围基体瞬间产生起始裂纹,进而切断部分应力在'颗粒对'之间传递的'通道',造成裂纹尖端应力集中而加速裂纹扩展”的振动切削机理。充分利用这一特性,结合颗粒的参数(体积分数、颗粒大小)优化加工工艺参数,是未来重要的研究方向之一。
【学位单位】：大连交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

第一章绪论行为模拟。适合进行二次开发的几种情况：１）模型中存在多个要部件，可考虑编写一个对模型中多个部件赋予相同截面属性的功能化，或者参数灵敏性分析的问题，常常需要对同一模型进行多次机模型时，是必须要借助程序的，利用程序可以得到一些伪随机数

来生成图形，并转化为模型数据信息，再利用Ｐｙｔｈｏｎ编程导入数据进行建模［５２，６７］。提??取分布指的是，基于实验材料的ＳＥＭ图，对图片中颗粒分布位置进行提取，继而进行??二维平面建模［６８］。图２．１展示了颗粒的３种周期对称排列方式，分别为：立方（Ｃ，Ｃｕｂｉｃ）、??体心立方（ＢＣＣ，Ｂｏｄｙ－ｃｅｎｔｅｒｅｄ?ｃｕｂｉｃ）和密排六方（ＨＣＰ，Ｈｅｘａｇｏｎａｌ?ｃｌｏｓｅｄ－ｐａｃｋｅｄ），其??理论上最大的颗粒体积含量分别为５２．３６％、６８?．０２％和７４．０１％［６９］。不难看出，颗粒增??强复合材料的体积分数与空间分布方式密切相关。颗粒体积分数越高时，其分布方式越??接近周期分布方式，如７４．０１％是直径相同的圆球状增强颗粒能达到的最高体积分数（按??照密排六方ＨＣＰ结构）。预制增强颗粒海绵骨架方式制造的颗粒增强复合材料更是如此，??９??

?（ｂ）?ＢＣＣ?（ｃ）?ＨＣＰ??图２．１颗粒在空间的周期分布方式??Ｆｉｇ．?２．１?Ｓｐａｔｉａｌ?ｐｅｒｉｏｄｉｃ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ?ｏｆ?ｐａｒｔｉｃｌｅｓ??综合考虑到体积分数与空间分布的关系，研宂中选择的颗粒增强金属基复合材料应??是典型的中低体分材料。此外，空间分布应按照随机分布的方式，且最好包含多种目标??位置（包括颗粒位于切削路径的上侧，下侧及沿切削路径分布）。考虑到将空间里分布??的颗粒转化为生成平面内随机圆形的高效性，细观建模时增强颗粒的体积分数不宜过高。??通过将空间里的颗粒体积分数平均到每个截面上（即采用平面体积分数与实际体积分数??相等）的方式来表征这一属性。??２．２振动切削仿真模型的研究??２．２．１切削仿真的尺度界定??切削仿真中，物理量的单位有的是基本单位，而有的属于导出单位。一方面，单位??的不同会影响到数值的大小。例如，ＡＢＡＱＵＳ中视图窗口中要求宽度范围为３０？４８２，??高度范围为３０？２７１，只有确定好合适的单位，才能更好地构建几何模型。另一方面，单??位不同的假定又会影响到对其它单位的解读。例如
【参考文献】

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本文编号：2889321