（机械电子工程专业论文）lamost焦面板的残余应力分析.pdf

中国科学技术大学硕十论文 a b s t r a c t t h el a r g es k ya r e am u l t i - o b 6 e c to p t i c a ls p e c t r o s c o p i c1 e l e s c o p e ( l a m o s t ) i so n eo ft h em 萄o rn a t i o n a ls c i e n t i f i cp r 硝e c t s ，t h em a i nt a s ko fl a m o s tf o c a lp l a l l e o p t i c a lf i b e rp o s i t i o n i n gs u b j e c ti sh o wt ol o c a t em o r et h a n4 0 0 0o p t i c a lf i b e r s r e l i a b l ya n da c c u r a t e l y ，a n di tp l a yai m p o r t a n tr o l ei no b s e r v ep r o c e s so fs e e k i n gs t a r s a c c u r a t e l y t h ef o c a lp l a t ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t so fm el a m o s t ， w l i c hs h a p ea p p r o x i m a t e st ob ec e n t r i p e t a la i l ds p h e r i c a ls t r u c t u r eo fm u l t i - h o l e t h e f o c a lp l a t e ss h 印er e q u i r e di sr i g o ra n ds t m c t u r a ls t i f i n e s si sl o w m o r et h a n4 0 0 0 h o l e sa r ei o c a t e do nt h es u r f a c e ，a n da l lt h e s eh o l e sd i r e c tt ot h ec e n t e r s oh 追h a c c u r a c yi sr e q u i r e dt ot h ef o c a lp a l n e t h em a c h i n i n gd i s t o r t i o nd u et or e s i d u a ls t r e s s b e c o m e so n eo ft h es t r i k i n gp r o b l e m s t be f f e c t i v e l yr e d u c eo ra v o i dd i s t o r t i o n ，t h e f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ni su s e dt ot h i sd i s s e r r t a t i o nt os t u d yt h ed i s t o r t i o np r e d i c t i o n b a s e do nt h em e t a lc u t t i n gp r i n c i p l e s 7 r or e v e a lt h ei n n u e n c eo fr e s i d u a ls t r e s sr e l e a s i n gt ot h em a c h i n i n gd i s t o r t i o no f t h ef o c a lp l a t e ，a c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a lp r e c i s i o nd e m a n d so ft h el a m o s t ，t h e c u t t i n gp r o c e s sw a ss i m u l a t e db yu s i n gt h e3 do b l i q u ec u t t i n gf i m t ee l e m e n tm o d e l 、析t hl s d y n a ，t 】h o u g ht h es i m u l a t i o nt h ec h i p sa 1 1 da l lt h ed e f o 肌i n ga r e a l si n m e t a lc u t t i n gp r o c e s sa r es t u d i e d ，t h ed i s t r i b u t i o no nt h es u r f a c er e s i d u a ls t r e s si s a c h i e v e d ，t h ed i s t r i b u t i o n1 a wo fr e s i d u a ls t r e s si nm e t a l - c u t t i n gp r o c e s s i sa n a l y s i s d t o o f i n dt h ed y n a n l i cs i m u l a t i o nr e s u l c t h e nb u i l dt h ef e mm o d e lo ft h ef o c a lp l a t e b a s e do nr e s i d u a ls t r e s s t h em a c h i n i n gd i s t o r t i o nl a wo ft h ef o c a lp l a t ec a u s e db y r e l e a s eo fi n i t i a lr e s i d u a ls t r e s s e sa r er e s e a r c h e d ，a n dt h ei n f l u e n c e so fc u t t i n gd e p t h s o nm ed i s t o i r t i o no ft h ef o c a lp l a t e 、v a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ef e m a 1 1 a l y s i si sa ne f r e c t i v em e t h o dp r e d i c t i n gt h em a c h i n i n gd i s t o r t i o no f t h ef o c a lp l a t e 1 ( e yw o r d s ：l a m o s t ；f o c a lp l a t e ；a n s y s l s - d y n a ：c u n i n g ：r e s i d u a l s t r e s s ：f e m ： 2 中国科学技术大学硕士论文 1 1 引言 第一章绪论 本论文的研究内容来自于“大天区面积多目标光纤光谱望远镜”项目( l a r g e s k y a r e am u l t i - o b j e c to p t i c ms p e c t r o s c o p i ct e l e s c o p e ，l a m o s t ) ，这是我国一种新 型大口径大视场的反射式施密特光学望远镜，是我国正在进行的一项大型科学工 程项目i 上个世纪6 0 年代，我国天文学家开始思考天文学得未来战略发展问题，虽 然当时我国自主研制得2 1 6 米望远镜即将竣工，但国际上多个大型观测项目纷 纷上马，如哈勃空间望远镜、1 0 米凯克望远镜等，我国天文界分析了当代天文 和天体物理学的发展趋势、中国天文学的现状，并结合我国当前社会发展的需要 和可能性，提出了“大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜( l a m o s t ) ”项目， 建议列入“九五”期间国家重大科学工程计划。它瞄准了涉及天文和天体物理学 中诸多前沿问题的大视场天文学，抓住大规模光学光谱丌拓的可贵机遇，以新颖 的构思、巧妙的设计实现了光学望远镜大口径兼备大视场的突破。随着项目建 设在二十一世纪初的完成，它将使我国天文学在大规模光学光谱观测、在大视场 天文学研究上，在国际上居于领先地位。 大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜( l a m o s t ) 项目由中国科学院国 家天文台承担，是我国自主设计和研制的大型光谱巡天望远镜。“九五”期间经国 务院科技领导小组批准已正式启动。“大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜” 是一架有效通光口径4 米，焦距2 0 米，视场达2 1 米平方度的卧式中星仪式反射 施密特望远镜，实现了天文望远镜中长期以来视为难题的“大口径兼备大视场”的 追求。l a m o s t 项目能对上千万个星系、类星体等河外天体的光谱巡天。目前 人类已记录在册的天体有1 0 的9 次方个，已观测到其光谱的天体有1 0 的5 次方 个，而l a m o s t 建成后将使后一数字变为1 0 的7 次方，从而突破天文研究中 光谱观测的“瓶颈”。届时，l a m o s t 将在星系、类星体和宇宙大尺度结构等方 面发挥威力，揭开恒星、星族和银河系的结构等奥秘。将于2 1 世纪之初建成的 l a m o s t ，将成为世界上最大口径的施密特望远镜，它能同时观测4 0 0 0 个目标 光谱，成为世界上天体光谱产生率最高的望远镜，瞄准了涉及天文和天体物理学 4 中国科学技术人学：颁十论文 中诸多前沿问题的大视场天文学，抓住大规模光学光谱j i ：拓的可贵机遇，并使我 国天文研究在大规模天体光谱的测量和有关的重大前沿领域居于国际领先地位。 图1 1l a m o s t 远景 l a m o s t 是一台横卧于南北方向的中星仪式反射施密特望远镜。它由在北 端的反射施密特改正板m a 、在南端的球面主镜m b 和在中间的焦面构成。球面 主镜及焦面固定在地基上，反射施密特改正板作为定天镜跟踪天体的运动，望远 镜在天体经过中天前后时进行观测。天体的光经m a 反射到m b ，再经m b 反射 后成像在焦面上。焦面上放置的光纤，将天体的光分别传输到光谱仪的狭缝上， 通过光谱仪分光后由c c d 探测器同时获得大量天体的光谱，横卧于南北方向的 中星仪式装置，将望远镜的球面主镜及焦面固定在地基上，而由反射施密特改f 板进行跟踪，横卧于南北方向的中星仪式装置，将望远镜的球面主镜及焦面固定 在地基上，而由反射施密特改正板进行跟踪，反射施密特改正板则采用地平式机 架跟踪。 望远镜南端略高，使其光轴与地平成2 5 度角，以适应台址纬度，可观测天 区的赤纬从1 0 度至+ 9 0 度。球面主镜大小为6 6 7 米，曲率半径4 0 米，由3 7 块对角线长1 1 米，厚度为7 5 毫米的六角形球面子镜组成。反射施密特改f 板 处在主镜球心，大小为5 7 2 米4 4 0 米，由2 4 块对角线长1 1 米，厚度为2 5 毫米 的六角形平面子镜组成。望远镜有效通光口径4 米，观测低赤纬天区时略大，观 测高赤纬天区时略小。焦距为2 0 米，相应的焦比为5 。视场边缘的最大像斑为 1 7 7 角秒。相应于5 度视场，直径为1 7 5 米的焦面上放置4 0 0 0 根光纤，由于4 米口径，可以在1 5 小时曝光时问内以1 纳米的光谱分辨率可以观测到2 0 5 等的 暗弱天体的光谱。 中国科学技术人学硕十论文 图1 2l a m o s t 总体效果图 l a m o s t 工程分为七个子系统：光学系统、主动光学和支撑系统、机架和 跟踪装置、望远镜控制系统、焦面仪器、圆顶、数据处理和计算机集成。 1 光学系统 光学系统由在南端的球面主镜m b 、在北端的反射施密特改正镜m a 构成， 焦面在中间。两镜分别由3 7 块和2 4 块子镜拼接而成。系统在大视场内有优良的 成像质量。m a 作为定天镜跟踪天体的运动，望远镜在天体中天前后进行观测。 其光轴南高北低，以适应台址纬度，扩大观测天区。 2 主动光学和支撑系统 为了改正球面主镜m b 的球差等，观测时需要实时变化改诈镜m a 的非球 面面形，该系统通过结合薄镜面和拼镜面主动光学技术使2 4 块薄平面子镜按要 求变形，并使各子镜共焦。同时，通过拼镜面主动光学技术使m b 的3 7 块球面 子镜共焦。这是l a m o s t 项目的主要技术创新点和关键技术。 3 机架和跟踪装置 l a m o s t 是一架准中星仪式的望远镜，由于它的球面主镜m b 是固定的， 对天体的指向跟踪运动完全由m a 担任。m a 采用地平式机架，其指向和跟踪由 方位和高度两个方向旋转实现。观测主要在子午面附近进行。整个跟踪运动过程 较缓慢且运动速度变化较少。采用静压轴承，方位用摩擦马区动，高度用粗、细两 套驱动系统并用带状码盘测角。相应地焦面也要旋转，需有像场旋转补偿机构。 另外还有调焦机构等。 中国科学技术大学硕十论文 4 望远镜控制系统 望远镜控制系统包括超低速、高精度的跟踪指向控制( 其中有m a 的高度 角和方位角驱动，以及焦面板的像场旋转) ，上千个力促动器实时控制( 要求响 应快，精度高) ，实时准确的故障诊断和实时的环境监测和报警等。本控制系统 的设计采用当代控制理论和技术，具有分布性、实时性、可靠性和扩展性。 5 焦面仪器 望远镜收集来自天体的微弱辐射，成像在焦面上，然后通过焦面仪器进行分 光、探测和记录。焦面仪器是l a m o s t 直接获取天体光谱信息的部分。包括： 光纤定位装置、光纤、光谱仪和探测器等几个主要部分。 6 圆顶 由于l a m o s t 的创新特点，其望远镜建筑不同于一般天文望远镜的圆顶。 它由m a 楼、m b 楼和焦面仪器楼三部分组成。m a 的圆顶围挡为一带球冠的 圆柱形，上部可向东西移开。焦面到m b 围挡为一卧式长通道，开有百叶窗。观 测时圆顶应减少风对m a 的影响，并时光路中温度均匀，不恶化自然的大气视 宁度。 7 数据处理和计算机集成 l a m o s t 每夜将观测上万个天体的光谱，其数据量是数京字节；而总的计 划是观测上千万条光谱。因此l a m o s t 应该是一个全自动地进行观测运行和数 据处理的系统，以最有效地获得观测数据和取得最大的科学成果。为此目的， l a m o s t 设计了一套完整的自动化观测与处理的软件，其中主要包括巡天战略 系统( s s s ) 、观测控制系统( o c s ) 和数据处理系统( d p s ) 。 l a m o s t 的建成与投入使用使我国天文学在大规模光学光谱观测中，在大 视场天文学研究上，居于国际领先的地位。4 0 多年来，经过天文学家和望远镜 专家的不懈努力，大口径的光学望远镜现已发展到1 0 米口径；但由于受施密特 改j 下板材料和工艺的限制，口径不易做大，大视场望远镜仍然只有1 3 米口径。 l a m o s t 以其4 米有效口径，5 度( 2 0 平方度) 的视场将成为世界上威力最大，最 重要的天文望远镜之一，是进行大视场、大样本天文学研究的有力工具，成为世 界上光谱获取率最高的望远镜。 中国科学技术人学硕十论文 1 2l a m o s t 焦面板机构 我们承接的是其中焦面板的研制任务，属于焦面仪器子系统，图1 3 即为 l a m o s t 的焦面机构，根据中国科学技术大学精密机械与精密仪器系刑晓j i f 教 授提出的方案，开创性的提出了基于分区思想的并行可控式光纤定位，比较好的 解决了大尺寸的多光纤的精密定位问题f 4 】【1 1 】【1 2 】。 图1 3 焦面机构 焦面光纤定位系统由焦面板、双回转定位单元、光纤、定位单元控制装置、 光纤位置检测装置以及控制软件等几部分组成，其中焦面板是基本组成部分之 一，焦面板安装在焦面机构的正上方，在焦面板上则安装4 0 0 0 多个光纤定位单 元，单元孔指向圆心。 图1 4 焦面板安装示意 中国科学技术人学硕十沦义 焦面板形状为球冠面形，直径约为巾1 7 5 m ，顶面球冠半径为r 1 9 8 8 m ，在 上面要加工4 0 0 0 多个轴线朝向球心的孔。 图1 5 焦面板示意图 焦面板作为基座要安装4 0 0 0 多个光纤定位单元，为了保证这么多光纤单元 的探测精度，必须要保证自身设计制造加工以及工作时的形状位置精度，焦面板 的形状、结构、以及几何尺寸等对整个望远镜的正常运行影响极大【3 1 。 焦面板技术精度指标 整个定位系统的技术精度要求分配到焦面板为【2 】： l 、离焦量( 光纤端面偏离焦面的距离) o 0 5 m m ，其中加工误差0 0 2 m m ， 变形误差0 0 3 m m 。 2 、二维焦面坐标定位精度o 0 4 朋脚，其中孔位加工误差0 0 4 m m ，变形误 差0 0 1 川聊。这里，孔位加工误差是一个固定误差，标定测出后它将不成为二 维定位误差。 3 、单元孔倾斜量( 单元孔轴线与所在焦面法线的夹角) 0 1 5 度，其中加工 误差0 0 5 度，变形误差0 1 度。 4 、工作温度： 季节变化：2 5 。c 。+ 3 5 。c 正常工作，4 0 。c 一+ 5 0 。c 不破坏 5 电机工作引起的焦面板升温 0 2 。c 。 6 、机构重量：2 吨。 中国科学技术入学硕十论文 1 3 焦面板的设计依据： 将焦面板的技术精度指标中与受载变形有关的部分提取出来，再加上考察焦 面板在加工、运输、安装、运行等方面的受力和变形必须满足的条件，就形成了 焦面板材料选择和结构设计的依据。 1 、离面位移( 离焦量) 0 0 3n u n 2 、面内位移( 工作过程变形量) ：一个观察周期内旋转引起变形量o o l 肌，。 3 、倾斜0 1 度( 光纤光轴与焦面法线的夹角) 。 4 、温度的季节变化：。2 5 0 c 一+ 3 5 0 c 正常工作，4 0 0 c 。+ 5 0 0 c 不破坏。 5 、一个观测周期的温度变化：电机工作引起的焦面板升温o 。2 度。 6 、机构重量：s 2 吨 7 、单元孔径变化：不引起单元松动或插拔困难，不弓l 起单元破坏。 8 、m i s e s 等效应力许用应力，焦面板在加工完成后，在运输安装和运行过程中， 板体、单元和支撑机构必须在线弹性范围内工作。 因此，如何保证焦面板得精度指标能可靠得完成承载光纤单元的任务是非常 重要的。本文将研究在加工制造过程中，残余应力对焦面板产生的变形影响，精 确的预测出残余应力的大小及分布，并采取合适的方法减小残余应力的大小和分 布，对后来的加工制造起到很好的参考和借鉴作用。如果单纯通过试验来研究切 削加工过程中残余应力的不但要花费高额的经费，也要耗费大量的时间和人力物 力，而通过有限元模拟，不但可以方便的预测出残余应力对焦面板的变形影响， 也能大大降低人力物力消耗，同时也提高了分析效率【2 9 1 。 1 4 本文的研究内容及安排 本文围绕焦面板加工过程中残余应力的产生和影响，以有限元分析技术作为 理论指导，使用计算机工具，建立三维斜角切削有限元模型，使用l s d 峪软 件进行金属切削动态仿真，得到因切削而产生得残余应力的大小和分布，将得到 的残余应力按一定的规律提取出来，使用a n s y s 建立焦面板应力应变分析模 型，将残余应力作为应力载荷施加到对应的单元中，观察焦面板的变形情况，得 到具体的数值结果，据此通过修改切削加工时的工艺参数来实现减小焦面板变形 的目的，达到优化的目的。 i o 中国科学技术大学硕十论文 本文的行文安排如下，主要将研究工作主要分为两大部分，分别是三维斜角 切削有限元模型的动态仿真和焦面板有限元模型残余应力一应变的分析。第2 章介绍了残余应力的情况，包括残余应力的产生机理和测量方法以及消除措施； 第3 章介绍了金属切削的基本原理和有限元分析的基本思想，在理论上提出了有 限元方法解决金属切削的指导方法；第4 章进行了三维斜角切削的动态仿真，使 用l s d y n a 进行了切削仿真，模拟了切削的动态过程，得到了由切削产生的残 余应力的大小和分布：第5 章进行了焦面板的应变分析，模拟了在最后的精加工 过程中，由于含有残余应力的金属被去除而使残余应力得到释放，使焦面板产生 了变形的过程，得到了应变的数值结果，并比较了不同的切削深度下变形的结果； 第6 章小结本文的工作，并展望了切削仿真的进一步发展方向和焦面板分析的改 进措施。 中国科学技术人学硕士论文 第二章残余应力的研究发展概况 2 1 残余应力定义 残余应力是当没有任何工作载荷作用的情况下，存在于构件内部且在整个构 件内部保持平衡的应力。它是由于热处理、机械加工或其他操作过程，在工件沿 截面或沿长度方向引起不均匀塑性变形的结果，它以弹性方式存在于构件内部， 并保持自平衡状态。因此可认为残余应力是一种固有应力，其存在状态随着材料 性能、产生条件等的不同而异。残余应力根据其相互影响的范围大小分为宏观残 余应力和微观应力两大类【5 l 。 宏观残余应力，又称为第一类残余应力，它是在宏观范围内分布的，它的大 小，方向和性质等可以用通常的物理或者机械的方法进行测量。 微观残余应力属于显微视野范围内的应力。依据其作用的范围，又可以细分 为两类。一为微观结构应力，或者称为第二类残余应力，它是在晶粒范围内分布 的。二为晶内亚结构应力，又称为第三类残余应力，它是在一个晶粒内部作用的。 如果以物理观点来分类，1 9 2 5 年格马辛经过仔细的研究后，将残余应力分 为三种，并用罗马数字分别把它们标记为i 、ii 、山类残余应力。在此基础上， 很多学者作了更进一步的研究。1 9 7 3 年德国学者e m a c h e r a u c h 提出的分类方法， 该分类方法把材料中的内应力分为如下： 第1 类残余应力也即宏观残余应力( m a c r or e s i d u a ls t r e s s ) 。它在材料较大范围 或许多晶粒范围内存在并保持平衡，在多个连续晶体范围内保持常数，它的大小、 方向和性质可用通常的物理或机械方法进行测量。如果第1 类残余应力所产生的 力和力矩的平衡状态受到破坏，将导致构件宏观尺寸的变化。 第1 i 类残余应力称为微观结构应力( s t l l j c t u r a lm i c r o s t r e s s ) 。它存在于晶粒尺 度内( 一个或少数几个晶粒范围内) ，并保持平衡，在一个或几个晶粒的部分范围 内保持均匀。它出现在不同相材料或不同物理性质材料间，或出现在夹杂物、复 合材料基体间。如果第1 i 类残余应力平衡状态被改变，也会造成宏观尺寸的变化。 第1 i i 类残余应力称晶内亚结构应力( s u b s t r u c t u r a ls t r e s s ) 。它是在晶粒若干原 子范围内存在，并在晶粒一小部分内保持平衡，在晶体亚结构范围内大小不均匀。 第1 i i 类残余应力平衡状态的破坏，不会引起构件宏观尺寸的变化。 在大多数情况下，宏观残余应力与微观残余应力总是同时存在的，产生第1 类残余应力的过程必然伴随第1 i 、第1 i i 类残余应力的产生。这三类残余应力的叠 加在一起就产生了了材料内某一点处的残余应力总值。 1 2 中国科学技术大学硕十论文 完全成为实用测试方法。有损测试法是以测宏观残余应力为对象的。 无损测试法是是采用x 射线和磁性的方法来求残余应力，利用材料内部结 构的异常或缺陷的存在所引起的对热、声、光、电磁等反应的变化，评价结构异 常和缺陷存在及其危害程度。一般情况下，无损检测应包括缺陷检测( 探伤) 和材 料其它性能检测( 如力学性能、显微组织和应力等) 两大方面。应用效果较好的是 射线法，它又根据所使用的射线的不同分为：x 射线法、中子射线法、同步衍射 法等，最常用的是x 射线法，x 射线衍射法己在工程上得到广泛应用，无损测 试法既能测宏观残余应力，又能测微观残余应力。 2 4 残余应力的消除和调整 对于工件使用性能有害的残余应力可以用使用一定的方法进行消除和调整， 常用的方法有时效法，热处理或者机械作用方法等。自然时效是将构件放在室外 经受一定的温度变化，引起材料膨胀和收缩，使构件内残余应力松弛。热作用的 方法即通常的时效退火法，通过加热调整组织而使残余应力得到松弛乃至去除。 机械作用法是在构件上施加静载或者动载荷，利用材料内部产生的塑性变形来降 低塑性残余应力，使残余应力减小或再分布，振动时效处理已得到大量的应用。 在金属切削加工过程中，待加工工件在已加工表面层和工件内部往往已经产 生了初始残余应力，在加工中又由于切削过程切削力和切削热的作用影响，使得 零件内部原有的残余应力随着切削进程和切屑释放而重新分布并形成新的残余 应力分布。残余应力的存在严重影响焦面板的性能，进而影响工件的使用效果； 同时残余应力还影响焦面板几何尺寸稳定性。为了提高加工质量和几何精度，必 须设法减小和消除初始残余应力，因此说，基于加工条件和工件材料特性的加工 残余应力的研究是具有重要的现实意义的。 金属切削加工是个复杂的动态物理过程，在切削过程中既有弹性变形又有 塑性变形，还有很高的切削温度和复杂的摩擦条件，所以金属切削加工产生残余 应力的问题在世界范围内的研究由来己久，对此问题的研究也非常普遍，取得了 大量的研究成果，特别是随着计算机性能的提高和有限元分析技术以及数值计算 理论的发展，计算机仿真为金属切削和残余应力分析的研究提供了新的强有力的 工具，改变了单纯依靠实验手段的研究思路。 本章总结 本章从机械加工原理上分析了残余应力的产生机理，按不同的标准对残余应 力进行分类，介绍了残余应力的测试方法，和对残余应力进行消除调整的常用手 段，说明了残余应力对焦面板变形分析的重要性，并且指出在计算机和数值理论 的发展下，利用有限元的方法研究残余应力是有效的和具有发展前途的思路。 1 4 紑蕗磤褉藔蕗聙 图3 2 金属切削过程中的滑移线与流线示意 切削过程中，切削层金属的变形大致可划分为三个区域 ( 1 ) 第一变形 从o a 线开始发生塑性变形，到o m 线金属晶粒的剪切滑移基本完成 o a 线和o m 线之间的区域称为第一变形区。在第一变形区，切屑的形成 程是被切削层金属受到刀具前刀面的推挤作用，迫使其产生弹性变形，当 切应力达到金属材料屈服强度时。便产生塑性变形。从金属晶体结构的角 来看，切削层金属沿滑移面的剪切变形，就是沿晶格中晶面所进行的滑移 会属材料的晶粒，可假定为圆形颗粒。晶粒在到达始滑移线0 a 之前，仅 生弹性变形，晶粒不呈方向性，仍为圆形，如图3 3 所示。晶粒进入第一 形区后，因受剪应力作用产生滑移，致使晶粒变为椭圆形。椭圆的长轴方 就是晶粒伸长的方向或金属纤维化的方向，它与剪切面的方向不重合，两 之间成一夹角 图3 3 晶粒滑移示意 ( 2 ) 第二变形 切屑沿刀具前刀面排出时会进一步受到前刀面的阻碍，在刀具和切屑界面 间存在强烈的挤压和摩擦，使切屑底部靠近前刀面处的金属发生“纤维化 的 1 的 中国科学技术火学硕+ 论文 1 ，强大的分析能力 l s d y n a 不仅具有非线性动力学分析、多刚体动力学分析，还有热分析、 流体分析：不仅具有有限元多刚体动力学耦合分析、多物理场耦合分析；不仅具 有失效分析，还具有裂纹扩展分析：不仅具有设计优化，还具有并行处理，也能 进行结构热耦合分析、流体分析、水下冲击、实时声场分析、隐式回弹的模拟。 2 ，丰富的材料模型库 目前l s d y n a 拥有近1 5 0 种金属和非金属材料库，除了涵盖各种常用材料 外，该软件还专门留有一个用户自定义的材料模型接口，充许用户将自己的材料 模型以一定的方式输人程序。 3 ，充足的接触方式 与其它有限元软件相比，l s d y n a 拥有5 0 多种接触分析方式，功能更强 大，使用也简单，充分地描述在大变形接触和动态撞击中的复杂几何体之间的相 互作用，在l s d y n a 中引入了许多种接触类型。这些接触类型，包括节点- 表面， 表面表面，单面，单边，侵蚀，固连，固连断开，压延筋和刚性体接触。 l s d 、a 作为显式瞬态动力分析的权威软件，加上其丌放的结构体系，很 多软件为l s d y n a 开发了通用的前后处理器，使得l s d y n a 可以与大多数 c a d c a m 软件集合并拥有接口。本文在分析中使用a n s y s 的p i 砸p 7 和p o s t l 、 p o s t 2 6 为l s d y n a 提供前后处理，这样既能充分运用l s d y n a 程序强大的 非线性动力分析功能，又能很好地利用a n s y s 程序完善的前后处理功能来建立 有限元模型与观察计算结果，具体的关系如下 图3 4 有限元软件a n s y s 和l s d 蛆的关系 1 9 中国科学技术人学硕十论文 第4 章金属切削仿真 4 1 三维斜角切削有限元分析模型的建立 在本文的分析中，准确的建立有限元模型究是整个研究的模拟结果能否真实 有效的前提条件。国内已有的研究目前大多集中在二维平面切削和直角正交切削 上，近来开始深入到三维领域和斜角切削上，在实际的金属切削加工中，通常进 行的都是三维切削。纯粹的二维切削加工，或者说产格的平面塑性流动状态几乎 是不存在的。 一般的三维切削有下列几种不同的情况： 1 、刀刃不垂直于切削方向，刀刃与切削方向呈夹角，也称为斜角切削。 2 、同时有几个刀刃进行切削，如车刀的主、副刀刃同时进行切削。 3 、刀刃不成直线，使变形复杂化，如麻花钻刀刃。 4 、沿刀刃的切削厚度不同，如用带螺旋齿的圆柱形铣刀进行铣削。 5 、沿刀刃的前角是变化的，如麻花钻的主刀刃。 最简单的三维切削加工情况为单一直切削刃，并且切削刃与切削速度方向成 一个夹角，也就是刃倾角。在三维有限元切削模拟中，刃倾角是最明显的特征， 也是区别与二维直角切削加工的基本特征。在实际加工中，刃倾角严重的影响了 切屑的流动方向，从而影响刀具的磨损和使用寿命，也影响工件的加工精度和质 且 里o 4 2 焦面板制造工艺 本文根据实际的需要建立焦面板的切削有限元模型，使有限元分析尽可能的 与现实情况一致。根据要求焦面板形状设计为球冠状，直径中1 7 9 m 。上面放置 4 0 0 0 多个光纤定位单元，光纤单元头所在的球面( 焦面) 半径为r 1 9 8 8 “。 图4 1焦面板工程图 2 4 中国科学技术火学硕十论文 残余应力会释放出来，从而在工件加工后产生变形，进而影响整个加工精度，因 而合理的模拟工件加工情况，准确的模拟真实的因残余应力引起的残余变形显得 十分重要。 在建立模型前，了解仿真分析中所涉及的结构、形状、材料常数、参数和有 限元的特性是模拟分析准确可靠的前提。 由于切削加工过程复杂，切削区内包含着弹、塑性变形和断裂的产生发展，切 削过程中工件的应力不断变化，温度快速升高，这些都对切削过程产生影响，为了 使得模拟能够准确反映切削的真实情况，进行一些必要假设： ( 1 ) 加工件材料为弹塑性材料。 ( 2 ) 铣削过程中切削刃足够锋利，没有刀刃刃口钝圆半径。 ( 3 ) 加工材料的各向同性。 ( 4 ) 由于加工件是铝合金6 0 6 1 ，属于非难加工件，对刀具磨损的影响忽略不计，在 切削过程中，刀具始终保持锋利。 ( 5 ) 刀具同时具有旋转和竖直移动，切削刃做三维复杂运动，这样对模拟过程中刀 具速度的加载比较复杂和困难，所以将刀具的运动简化，在极短的时间内，给定 刀具只有旋转运动。 4 3 工件和刀具有限元实体模型 本文建立的切削有限元模型如图4 2 所示，左半部分为工件有限元模型，右 半部分为刀具有限元模型。 图4 2 焦面板扩孔切削有限元模型 中国科学技术人学硕士论文 钻头有限元模型如图4 4 所示。假设刀具是刚性材料，并且足够锋利，钻头 在切削部分进行细化，定义了切削前角，后角，以及刃倾角，刀具前角3 0 。， 后角l o 。，刃倾角3 0 。，厚度5 m 。以模拟实际的钻头切削部分尺寸和刀具切 削部分。同时刀具的结构为绕中心点的z 轴方向对称结构，以方便定义约束条件， 同时在分析中刀具定义为实体单元。 图4 4 切削刀具实体模型 4 4 单元和材料类型选择 l s d y n a 提供了丰富的单元库，包括以下9 个单元： 三维杆单元( 3 dl i n k l 6 0 ) 三维梁单元 ( 3 db e a m l 6 1 ) 二维实体单元 ( 2 ds o l i d l6 2 ) 薄袁单元( t h i n s h e l l l 6 3 ) 三维实体单元 ( 3 ds o l i d l 6 4 ) 弹簧阻尼单元 ( s p m gd 肌p r l 6 5 ) 质量单元( 3 dm a s s l 6 6 ) 缆单元 ( l i n k l6 7 ) 1 0 节点四面体单元( 3 dt e t s o l i d l 6 8 ) 中国科学技术大学硕十论文 上面各单元中，除了p l a t e l 6 2 之外，其他的单元都是三维的，缺省时为缩减 积分，在使用缩减积分时单元计算过程中积分点数比精确积分所要求的积分点数 少。因此，实体单元和壳体单元的缺省算法采用单点积分。这些单元采用线性位 移函数；不能使用二次位移函数的高阶单元。而线位移函数和单积分点的显式动 态单元能很好地用于大变形和材料失效等非线性问题。 在本文中，刀具和工件都是三维实体，所以都选择三维实体单元( 3 d s o l i d l 6 4 ) ，s o l i d l 6 4 单元是一种8 节点实体单元。缺省时，它应用缩减( 单 点) 积分和粘性沙漏控制以得到较快的单元算法。单点积分的优点是省时，并且 适用于大变形的情况，但是在对有限元模型的小尺寸或者大曲率部分划分网格 时，可能会采用其退化的楔形或者四面体形状的单元，如图4 5 右边的四面体和 棱柱体所示，但这些退化单元是不推荐使用的。在本文所建立的模型比较规则， 合理利用网格划分可以避免出现单元退化的情况。 k o p k l 图4 5s o l i d l 6 4 实体单元几何特性 s o l i d l 6 4 没有实常数，不需要对s o l i d l 6 4 单元设定常数参数 材料模型的选择是模拟中的一个非常重要的环节，关系到计算结果是否真实 有效，模拟分析是否可靠合理，不合适的材料模型本构方程只会得到错误的结果。 l s d y n a 提供了4 0 多种材料模型可供使用，可以满足一般用户对材料属性的 各种要求。 在实际的切削过程中，材料的性能是非常复杂的。切削过程可以看成是工件 材料产生塑性变形并且生成切屑、切削在刀具前刀面推挤下与工件分离以及工件 中国科学技术人学硕士论文 第三变形区受到刀具后刀面挤压的过程，在此期间还伴有刀具和工件的摩擦作 用。在这过程中产生的弹性变形和塑性变形，继而生成了大量的切削热，材料模 型发生了复杂的变化，目前还没有真正的模型能完全描述切削加工过程中工件材 料的性能，在大量的实验数据基础上，建立各种材料本构方程来尽可能的模拟材 料的性能，以近似的模拟材料在变形中的应力、应变、应变速率、温度等之间的 函数关系，合理的反映切削过程中材料性能的变化规律。针对本文中所模拟的铝 合金6 0 6l ，选择两种材料本构方程来模拟【2 8 】。 1 j o h n s o n c o o k 模型 采用j o h n s o n c o o k 模型来描述工件材料本构方程，j o h n s o n c o o k 模型的公式 是基于实验得到的，j o h n s o n c 0 0 k 描述为以下形式： 吲( 1 + c l 哪一嘲 ， 其中彳一准静态屈服强度：俨应变硬化系数；萨应变率敏感系数；矿温度敏 感系数；，r 应变硬化系数；占一应变；s 一应变率；一参考应变率，i 一参考温度； 乙一熔点温度；严工件温度。由此可以看出材料的强度是应变、应变率和温度的 函数，应力是随着应变、应变率与温度变化而变化。j c 模型假设材料为各向同性 材料。式中的彳，ec ，z 和m 来自实验数据，一般采用霍普金森( h o p k i n s o n ) 冲击实验的方法来测定。该模型也称为粘弹性模型，它是一种与应变率和绝热( 忽 略热传导) 温度相关的塑性模型。而在破环时所需的应变由下式得到 ，、 s ，= ( 口+ 皿e x p b 仃。) l1 + d 4l n 善i ( 1 + b 丁) ( 4 2 ) is o d = 等， ( 4 3 ) s j 其中d 为破坏因子，占为破坏应变，a 、d 2 、d 3 、d 4 、d 5 为常数。当d 的值达到l 时，单元就被破坏。该模型适用于应变率大范围变化的问题和由塑性 耗散导致的材料硬化引起的温度变化问题。此模型可以用于实体单元。对于实体 单元，需要状态方程。在l s d y n a 中有线性多项式、g m n e i s e n 以及t a b u l a t e d 三种状态方程式，本文中选用g r u n e i s e n 状态方程式。根据工件材料为铝合金 3 0 中国科学技术人学硕+ 论文 一一二一 6 0 6 i ，密度2 7 0 0 堙耵，泊松比为o 3 3 ，弹性模量7 e 1 0 p a ；工件模型为实体单元， 参考资料得到铝合金6 0 6 l 的j o h n s o n c o o k 的5 个模型常数如表4 1 所示【7 1 表4 1 铝合金6 0 6 l 的j o l l i l s o n - c 0 0 k 模型常数 a 8cm 2 8 9 6 m p a2 0 3 4 m p ao 0 11 1 3 4 7 主i 乙 n a 1rim 0 3 5 1 o s _ | 2 9 4 2 6 k9 2 5 3 7 k 在a n s y s 前处理中，可以通过命令流来定义材料的j o h n s o n c o o k 参数。 m p ，e x ，1 ，e x m p m 姒y ，1 ，n u x y m p ：d e n s ，1 ，d e n s t b ，e o s ，l ，e o s o p t t b d a t a ，1 4 t b d a t a ，2 ，b t b d a t a ，3 ，玎 t b d a t a ，4 ，c t b d a r a ，5 ，朋 t b d a t a ，6 ，乙 t b d a t a ，7 ，z t b d 筒队，8 ， 占0 t b d a t a ，9 ，c p i b d a i a ，l o ， t b d a t a ，1 1 ，i t b d a t a ，1 2 ，d 2 t b d a t a ，1 3 ，地 t b d a t a ，1 4 ，d t b d a t a ，1 5 ，岛 3 l 中国科学技术大学硕十论文 2 随动塑性( 与应变率相关) 材料模型【1 0 j 该模型是各向同性、随动硬化或者各向异性、随动硬化的混合模型，并且与 应变率相关，可以考虑材料失效问题，通过将硬化参数调整在o ( 只是随动强 化) 和1 ( 只是各向同性强化) 间来选择材料是各向同性或者随动硬化。材料的 应变率用c o 、v p e r - s y m o n d s 模型来考虑，用与应变率相关的因数表示屈服应力。 随动塑性材料模型的表达式如下所示 听2 l ，i 1 + 吲 ( 4 4 ) 式中吼一初始屈服应力：s 一应变率；c 、p c o w p e 卜s y m o n d s 应变率参数； 够一有效塑性应变；廓一塑性应变模量。 其中塑性应变模量可以由下式得出 邵= 嚣 5 ， 在本文中使用此模型来描述铝合金6 0 6 l 需要定义部分参数：弹性模量( e x ) 、 密度( d e n s ) 、泊松比( n u x y ) 、屈服强度( y i e l ds t r e s s ) 、切线模量( t 锄g e n t m o d u l u s ) 、硬化参数( h a r d e n i n gp a 肌) 、应变率参数( s t r a i nr a t e ) 、失效应变( f a i l u r e s t r a i n ) 。 在随动塑性材料模型中，没有考虑温度的因素，即在分析运算中，模型只能 在一个温度条件下变化。在a n s y s 前处理中可以通过命令流来输入材料的模型 参数： m p e x ，1 ，e x( 弹性模量) m p ，n u x y ，1 ，n u x y ( 泊松比) m p ，d e n s ，1 ，d e n s( 密度) t b ，p i a w 。，】 中国科学技术大学硕+ 论文 t b d a l a ，1 ，毋( 屈服应力) t b d a t a ，2 ， 廿弧( 切线模量) t b d a t a ，3 ，d ( 硬化参数) t b d a l 队，4 ，c ( 应变率参数) t b d a t a ，5 ，p ( 应变率参数) t b d a r a ，6 ，0 ( 失效应变) 对于刀具材料，由于刀具的硬度比工件材料大的多，故在分析中视为刚体， 即在计算中设定为不发生变形，这样定义了有限元模型中的的刀具部分，可以简 化模拟计算，大大降低了显性分析的计算时间，在定义了刀具为刚体后，刀具有 限元模型体内所有节点的自由度都耦合到刀具的质量中心上。在网格划分后，不 论刀具定义有多少节点，刀具仅仅只有六个自由度：即x 向位移、y 向位移、z 向位移以及绕x 轴方向旋转、y 轴方向旋转、z 轴方向旋转。每个刚体的质量、 质心、惯性由刚体的单元密度和体积计算得到，作用到刚体上的力和力矩由每个 时间步的节点力和力矩合成，然后计算刚体的运动，再转换到节点位移。 使用刚体命令时，必须定义刚体材料类型的弹性模量( e x ) ，泊松比( n u x y ) 和密度( d e n s ) 。因此模拟中必须指定实际的材料属性