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铝合金 A357切削加工有限元模拟 Design and Research of General Trajectory Corrector For an Aircraft 汇报人：张怡雯 By： ABAQUS .1. abaqus商用仿真软件中限元模型建立 铝合金 A357切削加工有限元模型 论文主要内容 模拟结果分析 论文主要内容 1 2 3 .2. 论文主要内容 1.铝合金 A357切削加工有限元模型 装夹条件； 切削参； 刀具的儿何参数； 切削路径 影 响 因 素 忽略加工过程中，由于温度变化引起的金相组 织及其它的化学变化 ; 被加工对象的材料是各向同性的； 刀具是刚体且锋利，只考虑刀具的温度传导 ; 不考虑刀具、工件的振动； 假 设 条 件 .3. 由于刀具和工件的切削厚度方向上，切削工程 中层厚不变，所以按平面应变来模拟； 论文主要内容 1.铝合金 A357切削加工有限元模型 .4. 1.1材料模型 1.1.1 A357的 Johnson-Cook本构模型 材料本构模型用来描述材料的力学性质，表征材料变形过程中的动 态响应。在材料微观组织结构一定的情况下，流动应力受到变形程度、 变形速度、及变形温度等因素的影响非常显著。这些因素的任何变化都 会引起流动应力较大的变动。因此材料本构模型一般表示为流动应力与 应变、应变率、温度等变形参数之间的数学函数关系。建立材料本构模 型，无论是在制定合理的加工工艺方面，还是在金属塑性变形理论的研 究方面都是极其重要的。在以塑性有限元为代表的现代塑性加工力学中， 材料的流动应力作为输入时的重要参数，其精确度也是提高理论分析可 靠度的关键。在本课题研究中，材料本构模型是切削加工数值模拟的必 要前提，是预测零件铣削加工变形的重要基础，只有建立了大变形情况 下随应变率和温度变化的应力应变关系，才能够准确描述材料在切削加 工过程的塑性变形规律，继而才能在确定的边界条件和切削载荷下预测 零件的变形大小及趋势。 论文主要内容 1.铝合金 A357切削加工有限元模型 .4. 1.1.1 A357的 Johnson-Cook本构模型 在切削过程中，工件在高温、大应变下发生弹塑性变形， 被切削材料在刀具的作用下变成切屑时的时间很短，而且被切 削层中各处的应变、应变速率和温度并不均匀分布且梯度变化 很大。因此能反映出应变、应变速率、温度对材料的流动应力 影响的本构方程，在切削仿真中极其关键。当前常用的塑性材 料本构模型主要有： Bodner-Paton、 Follansbee-Kocks、 Johnson-Cook、 Zerrilli-Armstrong等模型，而只有 Johnson- Cook模型描述材料高应变速率下热粘塑性变形行为。 Johnson Cook模型认为材料在高应变速率下表现为应变硬化、 应变速率硬化和热软化效应， Johnson Cook模型如下所示： 0 1 l n 1 m n r mr TTA B c TT 式中第一项描述了材料的应变强化效应，第二项反映了流动应 力随对数应变速率增加的关系，第三项反映了流动应力随温度升高 指数降低的关系。 、 Tr分别表示参考应变速率和参考温度， Tm为材 料熔点。式中 A、 B、 n、 C、 m、 D、 k是 7 个待定参数； A、 B、 n表 征材料应变强化项系数； C表征材料应变速率强化项系数； m表征材 料热软化系数； , 分别为常温材料熔点。 论文主要内容 1.铝合金 A357切削加工有限元模型 .4. 1.1.2 材料失效准则 实现切屑从工件分离，本文采用的是剪切失效模型。剪切 失效模型是基于等效塑性应变在积分点的值，当损伤参数达到 1时，单元即失效，失效参数定义如下： 式中： 为失效参数， 为等效塑性应变初始值， 为等效塑 性应变增量， 为失效应变。失效应变 设定以来于以下几个方 面：依据塑性应变率，无量纲压应力与偏应力之比 p/q(p为压应 力， q为 Mises应力 ),温度，预定义域变量。这里采用 Johnson Cook模型定义失效应变。 0 p l p l pl f 论文主要内容 1.铝合金 A357切削加工有限元模型 .4. 1.1.2 材料失效准则 实现切屑从工件分离，本文采用的是剪切失效模型。剪切 失效模型是基于等效塑性应变在积分点的值，当损伤参数达到 1时，单元即失效，失效参数定义如下： 式中： 为失效参数， 为等效塑性应变初始值， 为等效塑 性应变增量， 为失效应变。失效应变 设定以来于以下几个方 面：依据塑性应变率，无量纲压应力与偏应力之比 p/q(p为压应 力， q为 Mises应力 ),温度，预定义域变量。这里采用 Johnson Cook模型定义失效应变。 0 p l p l pl f 论文主要内容 1.铝合金 A357切削加工有限元模型 .4. 1.1.2 材料失效准则 1 2 3 4 5e x p 1 l n 1 pl o p d d d d d q pl f = 式中： 为低于转变温度的条件下测得的实效常数。 为 参考应变率， 为塑性应变率。 由下式确定： 0 ( ) /( ) 1 tr a n s it io n tr a n s i to n m e lt tr a n s it io n tr a n s it i o n m e lt m e lt for for for 是当前温度， 是熔点， 是室温。 melt transition 论文主要内容 1.铝合金 A357切削加工有限元模型 .4. 1.1.2 材料失效准则 plyo 0 和 图 1.1中 和 为材料开始损伤时的屈服应力和等效塑性 应变。 是材料失效时即图中 D=1时的等效塑性应变。材料失效 时的等效塑性应变 依赖于单元的特征长度，不能作为描述材 料损伤演化的准则。相反，材料损伤演化的准则又等效塑性位移 或者断裂耗散能量 决定。 yo 0pl 0pl 0pl plu fG 论文主要内容 1.铝合金 A357切削加工有限元模型 .4. 1.1.2 材料失效准则 当材料开始损伤破坏时，应力应变曲线已经不能准确的描述材料 的行为。继续应用该应力应变曲线会导致应变集中，变化过于依赖建 模时所画的网格，以致当网格变密后耗散能量反而降低。 Hillerborg能 量失效法被提出用应力位移响应曲线来表征破坏过程减少了分析对网 格的依赖性。利用脆性断裂概念定义一个使单元破坏的能量 Gf作为材 料的参数。通过这种方法，损伤开始的软化效应是一种应力位移响应 而不是应力应变响应。破坏能量有下式表示： 表达式中的 为等效塑性位移，它描述了当损伤开始之后裂纹 变化的屈服应力，在损伤开始之前 =0.在损伤开始之后 =L ， L 为与积分点相关的单元特征长度，单元特征长度的定义基于单元的集 合形状，平面单元长度为积分点区域面积的平方根，而立方体单元长 度为积分点区域体积的立方根。 0 fG plpl ff pl plupl yy oL d d u plu plu plu pl 论文主要内容 1.铝合金 A357切削加工有限元模型 .4. 1.1.2 材料失效准则 基于有效塑性位移定义损伤演化用 Linear方法定义即如下图所示： 该准则使有效塑性位移达到 = 时，材料的刚度完全丧失，模 型的失效网格被自动删除，也就是材料此时发生断裂，切屑开始形成。 plu plfu 论文主要内容 1.铝合金 A357切削加工有限元模型 .4. 1.1.3 A357与刀具材料参数 A357铝合金，密度 =2680Kg/m3,弹性模量 E=79GP，泊松比 =0.33其他参数如下表： 论文主要内容 1.铝合金 A357切削加工有限元模型 .4. 1.1.3 A357与刀具材料参数 A357铝合金，密度 =2680Kg/m3,弹性模量 E=79GP，泊松比 =0.33其他 参数如下表： 刀具使用的是硬质合金，密度 =15000Kg/m3,弹性模量 E=210GP，泊松 比 =0.22其其它参数如下表： 论文主要内容 1.铝合金 A357切削加工有限元模型 .4. 1.2 摩擦模型 金属切削过程中，刀具前刀面的摩擦状态非常复杂，通常 把前刀面得摩擦区分为粘结区和滑动区，粘结区的摩擦状态与 材料的临界剪应力有关，滑动区可近似认为摩擦系数为常值可 以用下式来表示： 式中： 为接触面的滑动剪切应力； 为摩擦系数； 为接 触面上的压力； 为材料的临界屈服压力。 c n sm in （ ， ） c n s 论文主要内容 1.铝合金 A357切削加工有限元模型 .4. 1.2.1 质量放大 论文主要内容 1.研究意义 修正引信 零件加工难度大； 阻力环面积小，弹道修正能力受限制 修正模块微型化技术限制； 迫弹修正机构 结构简单，加工容易； 经济性好； 位于尾翼； 较大的弹道修正能力 .5. 论文主要内容 2.修正机构设计 1 2 3 4 5 6 7 89 1.天线座 2.GPS天线 3.弹尾 4.控制组件底座 5.惯性开关 6.DSP组件 7.控制组件压盖 8.GPS接收机 9.电池 系 统 供 电 G P S 天 线 G P S 接 收 机 弹 道 数 据 是 否 弹 道 解 算 满 足 要 求 否 是 阻 尼 片 展 开 机 构 驱 动 器 升 压 起 爆 （ G P S 组 件 ） （ D S P 组 件 ） 2.1修正机构作用原理 修正机构作用原理图 控制系统结构图 .6. 论文主要内容 2.修正机构设计 整体效果图 ( a ) ( 张 开 前 ) ( 张 开 后 ) ( b ) ( c ) ( d ) 2 3 45 1 解锁前 解锁后 1.垫片 2.螺钉 3.阻尼片 4.弹簧 5.滑块 .7. 论文主要内容 2.修正机构设计 2.2发射强度校核 基于修正弹发射的安全性，需进行发射强度校核，本文采用瞬态 动力学数值方法进行强度校核。 膛压曲线图 模型剖视图 模型网格图 弹丸施加载荷图 .8. 论文主要内容 2.修正机构设计 总体等效应力云图 总体等效应变云图 0 7 8 3 9 2 7 2 2 3 3 1 9 5 1 5 6 1 1 6 E q u i v a l e n t S t r e s s / M P a 3 1 1 3 5 0 E q u i v a l e n t E l a s t i c S t r a i n / m m 4 . 6 9 4 8 e - 7 3 . 3 1 8 e - 3 6 . 6 3 5 6 e - 3 9 . 9 5 3 1 e - 3 1 . 3 2 7 1 e - 2 1 . 6 5 8 8 e - 2 1 . 9 9 0 6 e - 2 2 . 3 2 2 3 e - 2 2 . 6 5 4 1 e - 2 2 . 9 8 5 8 e - 2 可以看出，弹体最大等效应力未超过材料的屈服强度，弹 体等效应变量也较小，所以弹丸满足强度要求。 .9. 论文主要内容 2.修正机构设计 2.3机构理论分析 扭簧的工作转矩为： 41110 23667 EdM Dn 空气阻力矩为： 222 1 sin4 xWM SL C 阻尼片的转动角速度： 12 dJ M Mdt 2 12 2 MMddd t d t J 从而有： .10. 论文主要内容 2.修正机构设计 设 y1=， y2=d/dt，则可得微分状态方程： 12 224 11 2 1 1 2 0 1 2 12 3 si n3 () 64 4 ( 0) 0 , ( 0) 0 xw yy S v C yM M E d J D n mL yy 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 时间（ s ） 张开角度（ ） 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 50 100 150 200 250 300 350 时间（ s ） 转动角速度（ rad/ s ） 张开角度随时间变化 转动角速度随时间变化 .11. 论文主要内容 2.修正机构设计 2.4样机收星试验 ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) ( e ) ( f ) 修正机构样机及控制元件 样机收星试验过程 .12. 论文主要内容 3.流场数值模拟分析 3.1计算模型 修正前弹丸表面网格 修正后弹丸表面网格 .13. 论文主要内容 3.流场数值模拟分析 3.2阻力系数曲线 FLUENT软件中有关选项的设置为： (1) 选择密度基求解器； (2) 流体为理想气体； (3) 来流压力为一个大气压； (4) 采用多重网格法，层数设置为 5层； (5) 设置马赫数范围为 0.62.0。 .14. 论文主要内容 3.流场数值模拟分析 阻力系数计算结果： 弹丸阻力系数曲线图 阻力系数曲线基本满足阻力系数随马赫数变化的规律。 .15. 论文主要内容 3.流场数值模拟分析 阻力系数曲线拟合结果： 阻力系数拟合曲线 状态 马赫数 /Ma 拟合 方法 参数结果 最大 误差 修正前 Ma1.2 Logistic 0.147 0.544 8.77e7 -19 0.028 1.2Ma2 Logistic 0.575 0.116 1.362e-6 8.107 0.007 修正后 Ma0.9 Logistic 1.174 1.36 5873 -8.5 0.016 0.910 3 47 y=1.5x-3375 (2450， 300) 18.38 (2448.1， 297.1) 3.5 2 84 y=x-100 (300， 200) 9.42 (296.9， 196.9) 4.4 1 82 y=x-200 (280， 80) 8.0 (281， 81) 1.4 高坡地形弹道修正仿真 .27. 论文主要内容 5.基于地理信息一维弹道修正的研究 低洼地形弹道修正仿真 装药号 射角 ( ) 地形函数 目标点 (m) 张开时刻 (s) 落点 (m) 误差 (m) 6 46 y=-x+2900 (3000， -100) 14.54 (2994， -94) 8.5 6 84 y=-x+700 (850， -150) 33.74 (848.6， -148.3) 2 5 45 y=-4x+14000 (3620， -480) / / 10 5 85 y=-x+440 (620， -180) 30.52 (616.8， -176.8) 4.5 4 48 y=-4x+10560 (2800， -640) 17.96 (2799.8， -639.3) 0.7 4 84 y=-5x+2300 (600， -700) 24.68 (598.2， -691) 9.1 3 83 y=-3x+900 (480， -540) 13.04 (482.8， -548.4) 8.9 2 84 y=-x+100 (300， -200) 9.12 (297， -197) 4.3 1 46 y=-x+1100 (1200， -100) 10 (1200.6， -100.6) 0.8 确定不同地形弹道修正阻尼片张开时刻的算法总体有效，基 于地形匹配进行弹道修正比水平面上修正的误差要大，这是因为 基于地形匹配弹道修正的误差是水平射程和竖直高度上两方面误 差的累积。 .28. 论文主要内容 5.基于地理信息一维弹道修正的研究 5.3精度影响因素分析 45 射角 60 射角 高 坡 地 形 低 洼 地 形 45 射角 60 射角 目标高度因素的影响： 高坡地形 弹道修正落点 误差随目标点 高度的增高呈 不确定变化趋 势；低洼地形 其落点误差随 目标点高度的 降低 (图中高度 绝对值增大 )而 增大。 .29. 论文主要内容 5.基于地理信息一维弹道修正的研究 5.3精度影响因素分析 45 射角 60 射角 高 坡 地 形 低 洼 地 形 45 射角 60 射角 地形坡度因素的影响： 高坡地形和低 洼地形下，弹道修 正误差都随坡度斜 率的增大而增大。 这是因为随着坡度 斜率的增大，阻尼 片张开时刻调节过 程中，弹丸落点在 高度上调节的速度 增大，导致弹道修 正关于竖直高度这 一因素的误差增大 。 .30. 论文主要内容 6.总结与进一步研究方向 6.1内容总结 （ 1） 对迫击炮弹一维弹道修正增阻机构进行了设计。 （ 2） 进行了合理性分析，如发射强度校核、收星试验等。 （ 3） 分析了弹丸的气动特性并拟合出阻力系数函数曲线。 （ 4） 提出了一种求解阻尼片张开时刻的算法并分析了弹道修正精度。 （ 5） 对不同地形一维弹道修正及精度影响因素进行了分析。 .31. 论文主要内容 6.总结与进一步研究方向 6.2进一步研究方向 （ 1） 阻尼片的位置和形状对迫弹弹道修正的影响； （ 2） 弹丸空气阻力系数根据条件可进行风洞试验进行验证； （ 3） 不同地形弹道修正确定阻尼片张开时刻的算法还有待优化； （ 4） 影响弹丸修正效果的因素很多，如修正弹丸的飞行稳定性、 飞行过程中横风的影响等，这些都有待进一步研究和试验论证。 .32. 论文主要内容 6.总结与进一步研究方向 谢 谢！ .33.