發(fā)布時間：2020-11-05 11:40

　　 在機械制造、化工、航空等高科技領域,硬脆材料(光學玻璃和工程陶瓷等)逐漸得到較大范圍應用。對于硬脆材料,磨削是現在普遍應用的一種加工方法,但在加工過程中會產生大量的磨削熱、磨削力,降低了工件的表面質量和使用性能。三維螺線超聲振動精密磨削技術的出現在降低磨削力、磨削熱等方面表現出了很大的優(yōu)勢。但針對其進行的磨削機理研究還比較少,通常采取實驗手段,而實驗成本高,條件要求復雜,且無法準確的觀察切屑的形成過程、工件的應力應變分布、裂紋產生及擴展等情況。所以,目前已有學者利用有限元仿真的方法對磨削機理進行研究。其中,光滑粒子流體動力學(SPH:Smoothed Particle Hydrodynamics)法是一種純Lagrange無網格算法,能夠很好的解決了傳統(tǒng)有限元方法因網格劃分法而引起大變形畸變而最終導致計算終止這個難題,在模擬仿真磨削過程時具有無法比擬的優(yōu)勢。因此,本研究綜合運用幾何運動學、金屬切削理論、材料斷裂理力學以及數值計算等學科知識,利用理論分析與數值仿真相結合的方法,對三維螺線超聲振動磨削(3DSUAG)機理展開深入研究。揭示了被加工材料在磨粒沖擊過程中的裂紋產生及擴展情況、應變應力分布、磨削力、磨削溫度及熱力耦合過程的變化規(guī)律等,為三維螺線超聲振動磨削技術的推廣應用提供了理論基礎。本文開展的主要研究內如下:1.研究了基于硬脆性材料Johnson-Holmquis-Ceramics本構模型的SPH建模方法,并利用非線性動力學分析軟件ANSYS/LS-DYNA,實現了分別對單顆磨粒劃擦和沖擊陶瓷工件過程的模擬仿真,證明了SPH法在單顆磨粒磨削中應用的合理性及優(yōu)勢。2.基于SPH法對單顆磨粒沖擊陶瓷工件的過程進行仿真研究。觀察Al2O3陶瓷工件的仿真結果,在壓頭壓入一定深度后工件開始出現側向裂紋及徑向裂紋,且裂紋產生時壓頭壓入工件的臨界深度和擴展速度均與沖擊速度有關。壓頭沖擊SiC陶瓷一定深度后,工件出現中位裂紋及徑向裂紋。通過對比分析,在進行磨削加工時SiC陶瓷比Al2O3陶瓷更易產生徑向裂紋,增大工件損傷。此外,通過觀察工件溫度場分布,相同的壓入深度下沖擊速度越大,接觸區(qū)溫度也越大,SiC陶瓷的最高溫度和分布范圍均遠大于Al2O3陶瓷。3.建立普通磨削(CG)、三維螺線超聲磨削(3DSUAG)、軸向磨削(AUAG)及徑向磨削(VUAG)過程中單顆磨粒相對于工件表面的運動軌跡方程。利用SPH法仿真單顆磨粒普通磨削與三維螺線超聲磨削工件的過程,揭示了三維螺線磨削在降低磨削力和提高材料去除率方面比普通磨削有著明顯優(yōu)勢。通過對Al2O3和SiC兩種陶瓷工件的磨削仿真結果進行對比分析時發(fā)現:磨粒劃擦SiC陶瓷工件后微斷裂較多,且應力明顯大于Al2O3陶瓷,說明Al2O3陶瓷比SiC陶瓷有更好的加工性能。4.建立了三維螺線超聲磨削的溫度場分布模型,并對Al2O3陶瓷、SiC陶瓷進行磨削仿真,觀察分析溫度場分布情況。與普通磨削相比,軸向超聲振動磨削時的磨削溫度沒有變化,而徑向超聲振動和三維螺線超聲振動磨削時的磨削溫度均會降低。此外,增加切深時,溫度隨之增加,且對溫度的影響效果很大。研究了熱力耦合問題的特征,并觀察普通磨削和超聲磨削時分別進行應力場求解和溫度場與應力耦合求解時的仿真結果。證明熱力耦合求解時比單獨進行應力分析求解時的工件內部應力場分布范圍要大,但磨粒劃擦過程中工件的平均應力值卻均小于單獨進行應力求解時工件的平均應力值。
【學位單位】：北京理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：TG580.6
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 研究背景及意義
    1.2 超聲振動輔助磨削加工技術
        1.2.1 超聲振動加工技術
        1.2.2 超聲振動磨削技術研究現狀
    1.3 超聲振動輔助磨削仿真研究
        1.3.1 有限元方法在磨削仿真中的應用
        1.3.2 SPH法在磨削仿真中的應用
    1.4 超聲振動輔助磨削機理研究現狀
    1.5 磨削溫度及熱力耦合仿真研究現狀
        1.5.1 磨削溫度研究現狀
        1.5.2 熱力耦合仿真研究現狀
    1.6 本文主要研究內容
第2章 SPH法的基本理論及切削仿真研究
    2.1 SPH法基本理論
    2.2 基于有限元軟件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法單顆磨粒切削仿真
    2.4 本章小結
第3章 超聲振動磨削陶瓷材料的裂紋產生及擴展規(guī)律仿真研究
    3.1 單顆磨粒切削區(qū)域應力場分析
    3.2 單顆磨粒沖擊Al2O3工件的SPH法仿真建模
        3.2.1 各物理量的單位選擇
        3.2.2 定義單元類型及材料模型
        3.2.3 單顆磨粒沖擊工件過程的SPH仿真建模
        3.2.4 定義接觸、載荷、邊界條件及求解
    3.3 單顆磨粒超聲振動磨削陶瓷材料的裂紋產生機制仿真結果分析
        3.3.1 單顆磨粒沖擊Al2O3陶瓷的裂紋仿真結果分析
        3.3.2 單顆磨粒沖擊SiC陶瓷的裂紋仿真結果分析
        3.3.3 單顆磨粒沖擊Al2O3陶瓷和SiC陶瓷的溫度場仿真結果分析
    3.4 本章小結
第4章 三維螺線超聲振動磨削硬脆材料的磨削特性仿真研究
    4.1 超聲振動磨削的單顆磨粒運動學分析
        4.1.1 三維螺線超聲振動磨削的單顆磨粒運動學分析
        4.1.2 軸向超聲振動磨削的單顆磨粒運動學分析
        4.1.3 徑向超聲振動磨削的單顆磨粒運動學分析
    4.2 基于SPH法的單顆磨粒劃擦Al2O3工件的仿真建模
    4.3 三維螺線超聲振動磨削硬脆材料的應力及塑性應變仿真結果分析
        4.3.1 普通磨削與超聲磨削的工件溝槽形狀及應力應變狀態(tài)分析
        4.3.2 不同劃擦速度下的工件溝槽形狀及應力應變狀態(tài)
        4.3.3 單顆磨粒劃擦Al2O3和SiC陶瓷仿真結果對比
    4.4 三維螺線超聲振動磨削硬脆材料的磨削力仿真分析
        4.4.1 磨削Al2O3陶瓷磨削力仿真結果及分析
        4.4.2 磨削SiC陶瓷磨削力仿真結果及分析
    4.5 本章小結
第5章 三維螺線超聲振動磨削Al2O3陶瓷的熱力耦合研究
    5.1 單顆磨粒磨削區(qū)一維傳熱模型
    5.2 單顆磨粒三維螺線超聲振動磨削區(qū)溫度場計算
    5.3 磨削區(qū)熱力耦合理論
        5.3.1 熱力耦合溫度場
        5.3.2 初始條件
        5.3.3 熱力耦合解耦分析
    5.4 單顆磨粒磨削區(qū)溫度場仿真及熱力耦合分析
        5.4.1 單顆磨粒磨削區(qū)溫度場仿真分析
        5.4.2 熱力耦合仿真結果分析
    5.5 本章小結
第6章 結論與展望
    6.1 結論
    6.2 展望
參考文獻
攻讀學位期間發(fā)表論文與研究成果清單
致謝

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本文編號：2871586