基于扩展有限元法的高速干切滚刀裂纹扩展仿真研究

发布时间：2017-08-12 04:05

  本文关键词：基于扩展有限元法的高速干切滚刀裂纹扩展仿真研究

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【摘要】：高速干切滚刀是高速干式滚齿加工的关键装备之一,其结构复杂、生产制造成本昂贵。高速干式滚齿切削是一种复杂的多刃断续切削过程,在切削过程中滚刀承受复杂的高频冲击载荷,同时,由于切削加工缺少切削液的冷却和润滑作用,刀齿与工件产生剧烈摩擦、刀齿切削区温度较高。在复杂的机械载荷及热载荷的综合作用下,高速干切滚刀可能产生崩刃失效现象。高速干切滚刀崩刃失效是高速干切滚刀的主要失效形式之一,裂纹的萌生与扩展是高速干切滚刀崩刃失效的主要原因。崩刃失效直接降低滚刀寿命,并且严重影响齿轮加工质量和经济效益。目前,国内外对于高速干切滚刀裂纹扩展规律的研究尚不充分,针对高速干切滚刀崩刃失效开展高速干切滚刀裂纹扩展研究具有重要的意义。本文在国家863计划课题项目(2012AA040107)的资助下,采用了扩展有限元法对高速干切滚刀崩刃失效问题展开研究,具体研究工作如下:首先,本文在高速干切滚刀裂纹扩展的前提下,介绍了断裂力学及扩展有限元法(XFEM)的相关理论基础,其中,主要介绍了扩展有限元法、裂尖应力场及位移场、应力强度因子和断裂准则。其次,分析了高速干切滚刀生产制造工艺;归纳了传统刀具失效特征,并对传统刀具主要失效特征进行分析,在此基础上,分析了高速干切滚刀失效特征。然后,分析了高速干式滚齿运动关系,建立了高干切滚刀刀齿的几何模型,通过ABAQUS平台,开展了高速干切滚刀滚齿切削仿真。分析表明:高速干切滚刀在滚齿切削过程中刀齿侧刃和顶刃的应力值较大,容易萌生裂纹。最后,根据高速干切滚刀刀齿滚削应力云图,结合高速干切滚刀制造工艺及失效特征,确定了侧刃和顶刃的初始裂纹位置,建立了初始裂纹特征模型,通过ABAQUS平台采用XFEM对高速干切滚刀初始裂纹的扩展进行了仿真分析。分析结果表明:高速干切滚刀裂纹的扩展轨迹及扩展规律与裂纹的位置及参数有着密切的联系。
【关键词】：高速干切滚刀 断裂力学 XFEM 裂纹扩展
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG612
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-8
• 1 绪论8-16
• 1.1 论文选题背景8-10
• 1.1.1 高速干切滚齿切削技术与装备8-9
• 1.1.2 高速干切滚刀失效特征9
• 1.1.3 高速干切滚刀裂纹扩展分析9-10
• 1.2 国内外研究现状10-12
• 1.3 论文研究目的意义及项目来源12-13
• 1.3.1 论文研究目的与意义12-13
• 1.3.2 论文项目来源13
• 1.4 论文研究内容及组织结构13-16
• 2 扩展有限元原理及裂纹扩展理论基础16-32
• 2.1 扩展有限元法原理16-20
• 2.1.1 扩展有限元法概述16
• 2.1.2 扩展有限元法基础理论16-20
• 2.2 裂纹扩展基础理论20-30
• 2.2.1 裂纹的基本类型20
• 2.2.2 裂纹的尖端应力场与位移20-24
• 2.2.3 应力强度因子的计算24-25
• 2.2.4 裂纹的断裂准则25-28
• 2.2.5 结构材料的损伤与破坏准则28-30
• 2.3 本章小结30-32
• 3 高速干切滚刀制造工艺及失效特征分析32-44
• 3.1 高速干切滚刀制造工艺32-37
• 3.1.1 高速干切滚刀结构特征32
• 3.1.2 高速干切滚刀基体材料的选择32-33
• 3.1.3 高速干切滚刀粗/精加工工艺33-35
• 3.1.4 高速干切滚刀热处理工艺35-36
• 3.1.5 高速干切滚刀涂层技术36-37
• 3.2 高速干切滚刀失效特征分析37-43
• 3.2.1 传统刀具失效分析37-40
• 3.2.2 高速干切滚刀失效形式40
• 3.2.3 高速干切滚刀磨损失效分析40-41
• 3.2.4 高速干切滚刀崩刃失效分析41-43
• 3.3 本章小结43-44
• 4 高速干式滚齿切削特征建模与应力分析44-56
• 4.1 高速干切滚齿特征建模44-52
• 4.1.1 滚切过程运动关系44-47
• 4.1.2 实体建模（PRO/E）47-49
• 4.1.3 材料参数49-50
• 4.1.4 网格划分（ABAQUS）50-52
• 4.2 高速干切滚刀刀齿滚削应力仿真分析52-54
• 4.3 本章小结54-56
• 5 基于XFEM的高速干切滚刀裂纹扩展分析56-72
• 5.1 有限元软件平台的选择56
• 5.2 高速干切滚刀裂纹扩展分析流程56-58
• 5.3 基于XFEM的高速干切滚刀裂纹扩展数值模拟58-61
• 5.3.1 确定初始裂纹58-59
• 5.3.2 确定材料参数、载荷及边界条件59-61
• 5.3.3 改进后的高速干切滚刀扩展有限元单元61
• 5.4 高速干切滚刀裂纹扩展分析61-67
• 5.4.1 顶刃裂纹分析61-64
• 5.4.2 侧刃裂纹分析64-67
• 5.5 高速干切滚刀裂纹扩展轨迹模拟67-69
• 5.5.1 顶刃裂纹的扩展模拟67-68
• 5.5.2 侧刃裂纹的扩展模拟68-69
• 5.6 本章小结69-72
• 6 结论与展望72-74
• 致谢74-76
• 参考文献76-80
• 附录80
• A．攻读硕士学位期间参加的主要科研项目80
• B．攻读硕士学位期间获得的奖励80

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本文编号：659655