菱形颗粒冲击延性材料的运动行为及凹坑形态研究
发布时间：2021-12-24 17:01
针对菱形颗粒的冲蚀磨损过程建立了基于拉格朗日法的耦合数值计算模型,通过模型分析了不同冲击速度vi、冲击角αi和方位角θi下菱形颗粒冲击延性材料的运动学行为和凹坑轮廓形态。结果表明:冲击角和方位角是决定颗粒旋转的关键因素,但会受冲击速度的影响发生变化。冲击速度对前旋颗粒的旋转方向和运动行为影响较小,产生的凹坑轮廓基本不变;对"后旋"颗粒的运动行为影响较大,存在某一切削速度范围55～100 m/s,当vi在该范围内时,延性材料表面发生切屑分离,当vi小于或大于该范围,均无切屑分离现象发生,只发生材料堆积,但形成材料堆积的原因不同,冲击速度小时初始动能低,不足以将材料切断剔除,被"挖掘"的材料堆积在凹坑表面;冲击速度大时颗粒法向嵌入深,颗粒出现"挖掘"和"微切削"的综合作用,在"微切削"的作用下产生细长切屑堆积在凹坑前面。低冲击角和大方位角的临界冲击在不同冲击速度下产生的颗粒运动行为和凹坑轮廓与"后旋"冲击产生的规律一致,高冲击角和小方位角的临界冲击在不同冲击速度下产生的颗粒运动行为...
【文章来源】：振动与冲击. 2019,38(20)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
颗粒特征参数的定义Fig．1Particlewithitscharacteristicparameters
寤骱蠓⑸?牧?大变形的区域被离散成无网格粒子，剩余区域以及菱形颗粒仍然离散成有限元网格单元。SPH模块和FE模块是通过ABAQUS中tie约束命令耦合在一起。颗粒与金属表面通过罚定义接触，为提高仿真结果与实验结果的吻合度，金属表面动摩擦因数设为0．1，模型底部完全约束，侧面设置关于X-Z平面和Y-Z平面的对称约束，冲击颗粒约束为刚体，被冲击金属材料为OFHCcopper，材料参数，如表1所示。2材料模型2．1状态方程(EOS)固体颗粒冲蚀金属材料是一个瞬时大变形过程，图2FEM-SPH耦合模型Fig．2CoupledofFEM-SPH表1OFHCcopper的材料参数Tab．1MaterialpropertiesofOFHCcopper材料属性符号数值密度/(kg·m－3)ρ08960剪切模量/GPaG47．7泊松比υ0．34熔融温度/KTm1356参考温度/KTr294比热/(J·(kgK))CP383J-C初始屈服应力A90MPaJ-C应变强化系数B292MPaJ-C硬化指数n0．31J-C应变率强化系数C0．025J-C热软化指数m1．09颗粒冲击瞬间的动压远远超过材料本身的屈服极限，状态方程(ESO)通过定义静压、密度和比能之间的关系，可完整描述被冲击材料的动态响应过程［21］。冲击状态方程是用于描述固体碰撞的数学方程，需通过动载实验测出颗粒速度(Up)和冲击速度(Us)。对于大多数固体和流体而言，在一定压力范围内，颗粒速度(Up)和冲击速度(Us)呈线性关系，但在高速冲击条件下，颗粒速度(Up)和冲击速度(Us)的关系表现为非线性，对非金属材料尤为明显。ABAQUS中嵌入了Mie-Gruneisen状态方程，通过输入OFHCcopper材料的Mie-Gruneisen
图3展示了case1、2、8颗粒运动轨迹的实验结果和仿真结果，实验结果图片取自文献［9］，由高速摄像机抓拍获得，仿真结果取自本文FEM-SPH耦合模型。对比实验结果和仿真结果可以看出，该耦合模型能够很好地捕捉冲蚀磨损过程菱形颗粒的运动行为，3种工况下颗粒运动轨迹的实验结果与仿真结果吻合度较高，并能够重现冲蚀磨损过程中颗粒的前旋旋转和后旋旋转行为。图3模型验证Fig．3Modelvalidation冲蚀磨损过程颗粒角速度随时间的变化规律如图4所示，其中case1、6、10为后旋旋转，case2为前旋旋转，case8为后旋向前旋转变(注:转变只能从后旋向前旋转变)。图5展示了case2和case6中实验测得的凹坑轮廓与仿真获得的凹坑轮廓对比，通过对比可以看出仿真模拟结果与实验测得结果一致，证明了该耦合模型的准确性。图4FEM-SPH模型中颗粒角速度与时间的关系Fig．4TimehistoryofangularvelocitiesoftheparticlesinFEM-SPHmodel3．2冲击速度对颗粒运动行为的影响研究表明，颗粒的冲击角和方位角是决定颗粒旋向的主要因素，但会受冲击速度的影响发生轻微改变。冲击速度对不同旋向颗粒的运动行为影响程度不同。图6－8展示了前旋旋转(αi=60°θi=20°，αi=50°θi=20°和αi=40°θi=20°)的颗粒在不同冲击速度下产生图5实验和仿真预测的case2和case6的凹坑轮廓Fig．5ExperimentandFEM-SPHpredictedcraterforcase2andcase6的运动行为以及反弹角速度的变化情况，由图6～8可知，冲击速度对前旋颗粒的运动行为和旋转方向影响较小，颗粒冲击后的旋转方向不变，旋转角速度变化规律一致，符合前旋颗粒冲蚀磨损速率
本文编号：3550864
【文章来源】：振动与冲击. 2019,38(20)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
颗粒特征参数的定义Fig．1Particlewithitscharacteristicparameters
寤骱蠓⑸?牧?大变形的区域被离散成无网格粒子，剩余区域以及菱形颗粒仍然离散成有限元网格单元。SPH模块和FE模块是通过ABAQUS中tie约束命令耦合在一起。颗粒与金属表面通过罚定义接触，为提高仿真结果与实验结果的吻合度，金属表面动摩擦因数设为0．1，模型底部完全约束，侧面设置关于X-Z平面和Y-Z平面的对称约束，冲击颗粒约束为刚体，被冲击金属材料为OFHCcopper，材料参数，如表1所示。2材料模型2．1状态方程(EOS)固体颗粒冲蚀金属材料是一个瞬时大变形过程，图2FEM-SPH耦合模型Fig．2CoupledofFEM-SPH表1OFHCcopper的材料参数Tab．1MaterialpropertiesofOFHCcopper材料属性符号数值密度/(kg·m－3)ρ08960剪切模量/GPaG47．7泊松比υ0．34熔融温度/KTm1356参考温度/KTr294比热/(J·(kgK))CP383J-C初始屈服应力A90MPaJ-C应变强化系数B292MPaJ-C硬化指数n0．31J-C应变率强化系数C0．025J-C热软化指数m1．09颗粒冲击瞬间的动压远远超过材料本身的屈服极限，状态方程(ESO)通过定义静压、密度和比能之间的关系，可完整描述被冲击材料的动态响应过程［21］。冲击状态方程是用于描述固体碰撞的数学方程，需通过动载实验测出颗粒速度(Up)和冲击速度(Us)。对于大多数固体和流体而言，在一定压力范围内，颗粒速度(Up)和冲击速度(Us)呈线性关系，但在高速冲击条件下，颗粒速度(Up)和冲击速度(Us)的关系表现为非线性，对非金属材料尤为明显。ABAQUS中嵌入了Mie-Gruneisen状态方程，通过输入OFHCcopper材料的Mie-Gruneisen
图3展示了case1、2、8颗粒运动轨迹的实验结果和仿真结果，实验结果图片取自文献［9］，由高速摄像机抓拍获得，仿真结果取自本文FEM-SPH耦合模型。对比实验结果和仿真结果可以看出，该耦合模型能够很好地捕捉冲蚀磨损过程菱形颗粒的运动行为，3种工况下颗粒运动轨迹的实验结果与仿真结果吻合度较高，并能够重现冲蚀磨损过程中颗粒的前旋旋转和后旋旋转行为。图3模型验证Fig．3Modelvalidation冲蚀磨损过程颗粒角速度随时间的变化规律如图4所示，其中case1、6、10为后旋旋转，case2为前旋旋转，case8为后旋向前旋转变(注:转变只能从后旋向前旋转变)。图5展示了case2和case6中实验测得的凹坑轮廓与仿真获得的凹坑轮廓对比，通过对比可以看出仿真模拟结果与实验测得结果一致，证明了该耦合模型的准确性。图4FEM-SPH模型中颗粒角速度与时间的关系Fig．4TimehistoryofangularvelocitiesoftheparticlesinFEM-SPHmodel3．2冲击速度对颗粒运动行为的影响研究表明，颗粒的冲击角和方位角是决定颗粒旋向的主要因素，但会受冲击速度的影响发生轻微改变。冲击速度对不同旋向颗粒的运动行为影响程度不同。图6－8展示了前旋旋转(αi=60°θi=20°，αi=50°θi=20°和αi=40°θi=20°)的颗粒在不同冲击速度下产生图5实验和仿真预测的case2和case6的凹坑轮廓Fig．5ExperimentandFEM-SPHpredictedcraterforcase2andcase6的运动行为以及反弹角速度的变化情况，由图6～8可知，冲击速度对前旋颗粒的运动行为和旋转方向影响较小，颗粒冲击后的旋转方向不变，旋转角速度变化规律一致，符合前旋颗粒冲蚀磨损速率
本文编号：3550864
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