三维螺线超声振动磨削硬脆材料的热力耦合作用机理SPH仿真研究

发布时间：2020-11-05 11:40

　　 在机械制造、化工、航空等高科技领域,硬脆材料(光学玻璃和工程陶瓷等)逐渐得到较大范围应用。对于硬脆材料,磨削是现在普遍应用的一种加工方法,但在加工过程中会产生大量的磨削热、磨削力,降低了工件的表面质量和使用性能。三维螺线超声振动精密磨削技术的出现在降低磨削力、磨削热等方面表现出了很大的优势。但针对其进行的磨削机理研究还比较少,通常采取实验手段,而实验成本高,条件要求复杂,且无法准确的观察切屑的形成过程、工件的应力应变分布、裂纹产生及扩展等情况。所以,目前已有学者利用有限元仿真的方法对磨削机理进行研究。其中,光滑粒子流体动力学(SPH:Smoothed Particle Hydrodynamics)法是一种纯Lagrange无网格算法,能够很好的解决了传统有限元方法因网格划分法而引起大变形畸变而最终导致计算终止这个难题,在模拟仿真磨削过程时具有无法比拟的优势。因此,本研究综合运用几何运动学、金属切削理论、材料断裂理力学以及数值计算等学科知识,利用理论分析与数值仿真相结合的方法,对三维螺线超声振动磨削(3DSUAG)机理展开深入研究。揭示了被加工材料在磨粒冲击过程中的裂纹产生及扩展情况、应变应力分布、磨削力、磨削温度及热力耦合过程的变化规律等,为三维螺线超声振动磨削技术的推广应用提供了理论基础。本文开展的主要研究内如下:1.研究了基于硬脆性材料Johnson-Holmquis-Ceramics本构模型的SPH建模方法,并利用非线性动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA,实现了分别对单颗磨粒划擦和冲击陶瓷工件过程的模拟仿真,证明了SPH法在单颗磨粒磨削中应用的合理性及优势。2.基于SPH法对单颗磨粒冲击陶瓷工件的过程进行仿真研究。观察Al2O3陶瓷工件的仿真结果,在压头压入一定深度后工件开始出现侧向裂纹及径向裂纹,且裂纹产生时压头压入工件的临界深度和扩展速度均与冲击速度有关。压头冲击SiC陶瓷一定深度后,工件出现中位裂纹及径向裂纹。通过对比分析,在进行磨削加工时SiC陶瓷比Al2O3陶瓷更易产生径向裂纹,增大工件损伤。此外,通过观察工件温度场分布,相同的压入深度下冲击速度越大,接触区温度也越大,SiC陶瓷的最高温度和分布范围均远大于Al2O3陶瓷。3.建立普通磨削(CG)、三维螺线超声磨削(3DSUAG)、轴向磨削(AUAG)及径向磨削(VUAG)过程中单颗磨粒相对于工件表面的运动轨迹方程。利用SPH法仿真单颗磨粒普通磨削与三维螺线超声磨削工件的过程,揭示了三维螺线磨削在降低磨削力和提高材料去除率方面比普通磨削有着明显优势。通过对Al2O3和SiC两种陶瓷工件的磨削仿真结果进行对比分析时发现:磨粒划擦SiC陶瓷工件后微断裂较多,且应力明显大于Al2O3陶瓷,说明Al2O3陶瓷比SiC陶瓷有更好的加工性能。4.建立了三维螺线超声磨削的温度场分布模型,并对Al2O3陶瓷、SiC陶瓷进行磨削仿真,观察分析温度场分布情况。与普通磨削相比,轴向超声振动磨削时的磨削温度没有变化,而径向超声振动和三维螺线超声振动磨削时的磨削温度均会降低。此外,增加切深时,温度随之增加,且对温度的影响效果很大。研究了热力耦合问题的特征,并观察普通磨削和超声磨削时分别进行应力场求解和温度场与应力耦合求解时的仿真结果。证明热力耦合求解时比单独进行应力分析求解时的工件内部应力场分布范围要大,但磨粒划擦过程中工件的平均应力值却均小于单独进行应力求解时工件的平均应力值。
【学位单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TG580.6
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 超声振动辅助磨削加工技术
        1.2.1 超声振动加工技术
        1.2.2 超声振动磨削技术研究现状
    1.3 超声振动辅助磨削仿真研究
        1.3.1 有限元方法在磨削仿真中的应用
        1.3.2 SPH法在磨削仿真中的应用
    1.4 超声振动辅助磨削机理研究现状
    1.5 磨削温度及热力耦合仿真研究现状
        1.5.1 磨削温度研究现状
        1.5.2 热力耦合仿真研究现状
    1.6 本文主要研究内容
第2章 SPH法的基本理论及切削仿真研究
    2.1 SPH法基本理论
    2.2 基于有限元软件LS-DYNA的SPH法
        2.2.1 ANSYS/LS-DYNA概述
        2.2.2 LS-DYNA材料模型
    2.3 SPH法单颗磨粒切削仿真
    2.4 本章小结
第3章 超声振动磨削陶瓷材料的裂纹产生及扩展规律仿真研究
    3.1 单颗磨粒切削区域应力场分析
    3.2 单颗磨粒冲击Al2O3工件的SPH法仿真建模
        3.2.1 各物理量的单位选择
        3.2.2 定义单元类型及材料模型
        3.2.3 单颗磨粒冲击工件过程的SPH仿真建模
        3.2.4 定义接触、载荷、边界条件及求解
    3.3 单颗磨粒超声振动磨削陶瓷材料的裂纹产生机制仿真结果分析
        3.3.1 单颗磨粒冲击Al2O3陶瓷的裂纹仿真结果分析
        3.3.2 单颗磨粒冲击SiC陶瓷的裂纹仿真结果分析
        3.3.3 单颗磨粒冲击Al2O3陶瓷和SiC陶瓷的温度场仿真结果分析
    3.4 本章小结
第4章 三维螺线超声振动磨削硬脆材料的磨削特性仿真研究
    4.1 超声振动磨削的单颗磨粒运动学分析
        4.1.1 三维螺线超声振动磨削的单颗磨粒运动学分析
        4.1.2 轴向超声振动磨削的单颗磨粒运动学分析
        4.1.3 径向超声振动磨削的单颗磨粒运动学分析
    4.2 基于SPH法的单颗磨粒划擦Al2O3工件的仿真建模
    4.3 三维螺线超声振动磨削硬脆材料的应力及塑性应变仿真结果分析
        4.3.1 普通磨削与超声磨削的工件沟槽形状及应力应变状态分析
        4.3.2 不同划擦速度下的工件沟槽形状及应力应变状态
        4.3.3 单颗磨粒划擦Al2O3和SiC陶瓷仿真结果对比
    4.4 三维螺线超声振动磨削硬脆材料的磨削力仿真分析
        4.4.1 磨削Al2O3陶瓷磨削力仿真结果及分析
        4.4.2 磨削SiC陶瓷磨削力仿真结果及分析
    4.5 本章小结
第5章 三维螺线超声振动磨削Al2O3陶瓷的热力耦合研究
    5.1 单颗磨粒磨削区一维传热模型
    5.2 单颗磨粒三维螺线超声振动磨削区温度场计算
    5.3 磨削区热力耦合理论
        5.3.1 热力耦合温度场
        5.3.2 初始条件
        5.3.3 热力耦合解耦分析
    5.4 单颗磨粒磨削区温度场仿真及热力耦合分析
        5.4.1 单颗磨粒磨削区温度场仿真分析
        5.4.2 热力耦合仿真结果分析
    5.5 本章小结
第6章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
攻读学位期间发表论文与研究成果清单
致谢

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 郑德友;孔凡霞;;超声振动扩孔纠偏研究[J];制造技术与机床;2013年03期

2 马世佩;;利用超声振动改善冷却液效率[J];航空工艺技术;1983年04期

3 黄文郁;朱炳森;;用超声波清洗机改装超声振动车削装置[J];机械开发;1984年04期

4 В·С·Лершun;刘作寰;;在拨管过程中应用超声振动[J];鞍山钢铁学院学报;1984年03期

5 张日升;;超声振动冲削[J];新技术新工艺;1984年06期

6 赵继;王立江;;超声振动车削表面的波谱分析[J];电加工;1986年04期

7 焦光明;汤铭权;;超声振动车削快速落刀装置的研制[J];电加工;1991年03期

8 张建中,于超,申奎东;超声振动扩孔的试验研究[J];电加工与模具;2000年06期

9 曾忠;微孔的超声振动钻削技术与工艺效果[J];机械工程师;2001年01期

10 张建中,李秀人,申奎东;超声振动干式扩孔的试验研究[J];电加工与模具;2004年01期

相关博士学位论文 前10条

1 吕哲;超声振动辅助磨料水射流抛光冲蚀机理和工艺技术研究[D];山东大学;2015年

2 侯荣国;超声振动辅助磨料水射流脉动行为及其对加工机理影响机制研究[D];山东大学;2015年

3 齐海群;超声振动拉丝相关理论及其实验研究[D];哈尔滨工业大学;2009年

4 张洪丽;超声振动辅助磨削技术及机理研究[D];山东大学;2007年

5 沈学会;超声振动辅助铣削加工技术及机理研究[D];山东大学;2011年

6 陆昶;聚合物共混物融合缝结构与性能及超声振动下融合缝形态演变及其机理的研究[D];四川大学;2005年

7 闫鹏;超声振动辅助磨削—脉冲放电复合加工及其控制技术研究[D];山东大学;2009年

8 胡玉景;超声振动—磨削—脉冲放电复合加工技术及其智能控制的研究[D];山东大学;2006年

9 乔国朝;氮化硅陶瓷超声振动铣磨加工表面完整性研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

10 祝锡晶;功率超声振动珩磨技术的基础与应用研究[D];南京航空航天大学;2007年

相关硕士学位论文 前10条

1 修晓;复合超声振动拉丝的理论与实验研究[D];哈尔滨工业大学;2008年

2 耿怡;金属外圆表面超声振动光整技术的研究[D];西安石油大学;2015年

3 刘小超;超声振动强化搅拌摩擦焊工艺及机理的研究[D];山东大学;2015年

4 张曼曼;超声振动辅助TA2纯钛箔板塑性变形行为与微冲裁机理研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

5 李华;基于超声减摩原理的气缸运动副摩擦特性研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

6 李华东;光学玻璃超声振动铣磨材料去除及表面质量研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

7 刘宇杰;基于超声振动辅助的Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/C194铜合金的润湿及钎焊接头时效特性[D];河南科技大学;2015年

8 黄飞;超声振动微铣削动态仿真与实验分析[D];长春理工大学;2014年

9 汪强;Inconel 718超声振动辅助车削有限元仿真与实验研究[D];南昌航空大学;2014年

10 贾正首;功率超声振动珩磨技术应用研究[D];西南石油大学;2012年

本文编号：2871586