先进制造与工程仿真技术课件：工程仿真技术的应用实例 -

1先进制造与工程仿真技术2§5.1基于DEFOEM的钻削加工有限元仿真§5.2基于ABAQUS的机车用合成闸瓦工作过程的有限元仿真 §5.3基于ANSYS的桥式起重机主梁工作过程的有限元仿真工程仿真技术的应用实例3教学要求：了解工程仿真技术中的钻削加工、合成闸瓦工作和桥式起重机主梁工作高速立铣刀切削的有限元仿真过程；学会用某种有限元软件分析并解决工程问题。45.1基于DEFOEM的钻削加工有限元仿真5.1.1麻花钻三维模型的建立刃带：外圆柱上两条螺旋形棱边。在切削部分切入工件后起保持进给方向。螺旋刃沟是排屑的通道---前刀面。钻芯：钻体中心，连接两个刃瓣。5

点击软件File选项，选择NewProblem，出现图框后点击随后的Next，并最后点击Finish进入建模模块，在Simulationcontrol

中将English制换为SI制，并退出，点击Insertobject，并选中Topdie随后点击Geometry中的GeoPrimitive按钮，并在弹出的菜单中选中Drilling按钮，随即出现关于麻花钻的参数图框，如图5-1所示：图5-1平面桁架系统Deform-3D自带的参数建立图6

由于本文用到的麻花钻半径为3mm，故修改图框中的半径等其他参数，修改完成后，点击Create生成麻花钻几何模型，并选择圆柱毛坯为加工工件，最后麻花钻及被加工工件几何模型如图5-2所示：图5-2麻花钻及被加工工件几何模型7

定义待加工工件为AISI-1045(Oxley‘sEquation)，新的材料模型的建立，材料的本构关系对模拟结果的影响最为重要，它反映了材料成形过程的基本信息，以及加工过程中形变应力参数之间的依赖关系，也就是流动应力与应变、应变速率，温度等之间的关系。在选定加工材料为45号钢(钢后，点击Material，在Plastic菜单中，选择flowstress项。

图5-3是45#钢随着温度的不断变化时的应变与流动应力之间的对应关系，X

轴为Strain，即应变，Y

轴为FlowStress，即应力，由图中可知，随着温度的上升，相同应变下对应的流动应力不断下降，这是因为材料的杨氏模量随温度的上升而下降造成的。图5-345#钢的本构关系5.1.2工件材料的模型的建立8

杨氏模量与温度关系图如图5-4所示。选择vonmiss屈服准则，isotropic随动强化，泊松比(poisson’ratio)选定为0.3、热膨胀系数(thermalexpansion)、导热系数(thermalconductivity)、热容(heatcapacity)与温度关系图分别如图5-5至图5-7所示：

图5-4杨氏模量与温度关系图图5-5热膨胀系数与温度关系图9图5-6导热系数与温度关系图图5-7热容与温度关系图热容随着温度的升高而增加，并在600ºC附近达到最大值，并维持该值保持不变，不再随温度的变化而变化。导热系数刚开始随着温度的升高而增加，并在100ºC附近达到最大值，随后在100ºC到200ºC之间随温度的上升缓慢下降，200ºC之后导热系数下降剧烈，同样在600ºC附近达到最小值，并维持该值保持不变，不再随温度的变化而变化。10

在DEFORM-3D软件中，采用U.L法建立有限元方程，则刀具磨损量的计算公式为：(5-1)式中:σ——磨损深度；p——正压力；

v——工件相对于刀具的滑动速度；

dt——时间增量；

T——接触面温度；

a、b——试验系数。

剪切模型基于在单元节点上的平均塑性应变值；假定当破坏参数ω≥1时，失效发生。破坏参数ω定义为：(5-2)式中:——平均塑性应变的增量；

——失效应变。5.1.3磨损模型设定11

网格划分时，为提高计算精度，需要将局部网格细划分，而其余部分的网格粗分。这样可以减少单元数量，减少计算时间，提高精度。在非线性有限元分析中，通过迭代法求解非线性方程组以获得数值解。Newton-Raphson法收敛速度快，但有时可能不收敛。当Newton-Raphson法失败时，系统会自动调用Sparse法求解。Directiteration方法计算量大，但通常迭代收敛，因此选用Directiteration法，如图5-8所示。图5-8求解器设置5.1.4网格划分与求解的设定12

切削用量三要素对切削力、切削温度和刀具磨损均有影响，其中，切削速度的影响程度最大。为与钻削实验作对比，仿真中选择与实验相同的钻削参数，如表5-1所示表5-1钻削参数钻头直径（mm）切削速度（m/min）进给量(mm/r)钻削深度(mm)8300001278

用于钻削仿真的两刀片均为WC硬质合金，刀片材料的基本物理属性如表5-2所示；工件材料选用45钢，其基本物理属性如表5-3所示。表5-2WC硬质合金刀片的物理属性杨氏模（GPa）泊松比热膨胀系

(10-6/℃)导热系数（W/m/℃）热容（N/mm2/℃）6500.25559155.1.5钻削参数与材料属性的设定13（1）设置仿真环境

在DEFORM的主界面的前处理器中选择DEFORM-3DPre，单击工具栏中的图标SimulationControls。在SimulationTitle文本框中输入钻削仿真的题目Drilling选择国际单位制SI，并在模式选项中选择Deformation和HeaterTransfer，如图5-9所示。图5-9仿真环境设置5.1.6钻削仿真的前处理14（2）定义工件

由于几何形状简单的模型，可以在DEFORM中直接创建。操作过程如下：单击Geometry/GeoPrimitive，选择cylinder，分别设置工件的半径为20mm、厚度15mm，单击Create完成对工件模型的创建，如图5-10所示。图5-10创建工件15（3）定义刀具（4）划分网格

工件的网格划分：选择对象树中的工件Workpiece，单击网格Mesh按钮，进入网格划分界面，选择详细设置DetailedSetting。单击General，在网格类型选择Absolute。尺寸比率sizeratio设为7，在ElementSize文本框中输入最小网格尺寸0.4mm，分别单击SurfaceMesh和SolidMesh以生成网格。麻花钻的网格划分：选择对象树中的Drill，单击网格Mesh按钮，设置网格数量NumberofElements为100000，单击GenerateMesh按钮生成网格。图5-11工件的网格划分图5-12麻花钻的网格划分16（5）选定材料

在对象树中，分别选择工件和浅孔钻，进入general界面。从材料库materiallibrarey中分别选择工件和刀具的材料为AISI-1045、WC然后单击Load按钮，材料将显示在对象树中。（6）设置边界条件

选择对象树中的工件，在BoundaryConditions界面中选择Velocity。先对X

方向进行设置，选中工件的侧面，单击AddBoundaryConditions，图5-13设置工件的边界条件

边界条件对象树中显示“X，Fixed”，然后以相同操纵分别设置Y、Z

方向，如图5-13所示。17

单击BoundaryCondition图标，在边界条件分类中选择HeatExchangewiththeEnvironment，在Picknodes对话中，单击All按钮，选择工件的所有表面。单击Temperature，输入初始温度值20℃。（7）设置麻花钻的运动

软件将自动计算出钻头中心的坐标位置与旋转轴，在angularvelocity/constant中并输入切削速度的值；单击Translation，选择

Z轴，并在Constantvalue中设置进给量。图5-14麻花钻速度设定

从对象树中选择Drill，在Movement界面中，单击Rotation，选择Z轴，单击Calculatecenterandaxisfromgeometry按钮。18（8）钻削仿真控制

单击主菜单中SimulationControls按钮，在弹出的模拟控制对话框中，单击Step对钻削仿真的步长进行设置。再从此对话框中选择Stop，在PrimaryDieDisplacement中输入坐标值[0，0，8]作为钻削仿真的停止条件，如图5-15所示。图5-15设置钻削仿真的停止条件19（9）设置对象间的关系

单击Inter-Object按钮，打开对象关系菜单，如图5-16所示。选择Workpiece和Drill之间的关系，单击Edit按钮，弹出Inter-ObjectDateDefinition窗口，在Deformation选项中分别设置摩擦系数为常量0.6，系统默认为剪切摩擦。单击Thermal选项，热传导系数设45N/sec/mm/C。单击ToolWear选项，设置Parameter的值分别为10-7和855.0。图5-16设置对象间的关系

单击Clicktoaddanewrelation按钮，将Master和Slave均设定为工件，选中已设定的关系，单击“Applytootherrelation”将已设定关系应用到其他关系中。20（10）生成数据库

单击主菜单中Databasegeneration，弹出生成数据库的对话框，如图5-17所示。单击Check按钮，检查数据库是否正确。在DEFORM软件中，“警告”和“错误”用不同的标志显示，可以通过提示语言，返回到前处理器修改前期设置。当检查无误时，单击Generate按钮，生成数据库文件。图5-17生成数据库文件215.1.7

在钻削加工过程中温度起着关键作用，它对工具的磨损，钻削扭矩以及切屑成形产生很大的影响作用。因此，研究钻削温度对生产实践有着重要意义。图5-18，图5-19，图5-20为三种钻速下某一模拟步的钻削温度云图。图5-18第560步的温度图（60rpm,0.7mm/rev）图5-19第560步的温度图（2000rpm,0.127mm/rev）图5-20第500步的温度图（3000rpm,0.127mm/rev）5.1.7钻削有限元仿真结果及分析22

随着社会的不断发展和进步,人们对车辆的运行速度、安全性、舒适度和环保化等提出了更高的要求，进一步提高制动用摩擦材料的综合性能是其中需要解决的关键性技术问题。内地绝大部分列车采用价格高昂的进口合成闸瓦，国内一些单位现有研制的闸瓦还没有能够全部代替和更换整列车用进口闸瓦。在国内基本采用进口制动系统的现状下，磨耗件闸瓦很大程度上影响机车运营维护成本，同时铁路提速对包括制动技术在内的一系列列车技术提出新的要求。作为制动系统的重要部件之一，制动闸国片的材质问题成为提速列车的关键技术之一。

在已有研究的基础上，用有限元软件abaqus建立合适的模型，模拟运行过程，并用此方法对闸瓦进行结构受力热等的分析，并与实际情况进行对比，验证其正确性；调整各基体填料等的比例，对已有的配方进行优化，使之能够达到该项目要求的各项指标。5.2基于ABAQUS的机车用合成闸瓦工作过程的有限元仿真5.2.1机车用合成闸瓦工作过程的仿真背景23货车重量从过去的30~40T增加到现在的50~60T，而闸瓦尺寸一直未变，因而闸瓦压力成倍增加，从而导致闸瓦磨耗加快。在湿润状态下，合成闸瓦摩擦系数大为下降，受天气影响大，在雨雪天气制动能力下降。使用高摩擦系数合成闸瓦可以有效解决货车提速后的制动问题和克服湿润状态下摩擦系数的下降，是未来闸瓦生产的发展趋势。24美国：Cobra高摩擦系数合成闸瓦。俄罗斯：8-1-66型高摩擦系数合成闸瓦。日本：151系特快电车上采用高摩擦系数合成闸瓦。中国：407G、TK-81型高摩擦系数合成闸瓦，实际应用速度也只有60~70km/h。这对于今天提出的高铁的速度和特殊工况条件，制动距离要求显然难以满足。稳定的摩擦系数无严重热衰退特殊条件下摩擦系数不下降防止车轮的热损害质量较轻耐磨性较好成本较低发展趋势25

适当的进行简化处理，闸瓦模型中着重研究的是摩擦体即闸瓦片，车轮的一些部分可以做简化处理，这样即可以为后边的网格划分带来方便，又可以提高运算的效率。闸瓦制动系统的外貌和闸瓦片的外形，如下图5-21，图5-22所示。根据相关的参数和类型，如图5-23所示。图5-21制动器照片图5-22闸瓦片照片图5-23闸瓦参数和类型5.2.2合成闸瓦三维模型的建立26

图5-24闸瓦踏面模型图5-25闸瓦片模型图5-26闸瓦车轮配合整体部件271.踏面材料的定义

车轮在制动过程中会收到制动力作用产生小变形，所以车轮定义成钢质的弹性体即是Elastic。如图5-27所示：图5-27车轮踏面材料定义5.2.3合成闸瓦模型前处理的设定282.闸瓦片材料的定义假设实验闸瓦片的导电率，密度，弹性模量，膨胀系数，比热等信息如图5-28所示：(a)导电率的设置(b)密度的设置29(c)弹性模量的设置(d)膨胀系数的设置(e)比热的设置303.设定分析步

第一步设定对刹车片施加压力，使闸瓦片和车轮踏面建立稳定度接触关系，因为车轮和闸瓦的接触过程是动态非线性的运动所以在abaqus中选择general：dynamic，temp-disp，explicit，分析步是applypressureonthezhawa，时间增量是0.001s。图5-29设定第一分析步31

第二步分析步rotationofthetamian即使车轮快速转动起来，以便观察闸瓦的相互作用过程。图5-30设定第二分析步32

在闸瓦制动的过程中摩擦片的下底面和车轮的踏面是作用面，他们之间的；摩擦作用设置如图5-31所示。制动过程模拟加载是在闸瓦片的上表面，如图5-32所示。图5-31作用面设置5.2.4摩擦作用的建立及加载图5-32载荷设置33

划分网格的类型如图5-33所示。模型网格划分的效果如图5-34所示。分析中只考虑正在运行的列车踩刹车并停止的过程中的热偶分析；在此过程中有两个动作，踩刹车后列车停止。刹车片作用的过程不是已下载全部加在是一个线性过程，加载过程后可以看到刹车片开始作用并车产生热量，所以分析步中只设定了一个分析步就是施加压力。同时并设定开始是的温度20摄氏度。图5-33网格类型设置5.2.5闸瓦网格划分与求解的设定图5-34划分网格结果34图5-35闸瓦瓦背所受应力图5-36闸瓦瓦背的节点位移图5.2.6合成闸瓦工作过程的有限元仿真结果及分析图5-37闸瓦片作用面节点位移图图5-38闸瓦片作用面受到的应力图35图5-39图闸瓦制动过程中能量变化图5-40车轮动能的变化图图5-41闸瓦片加速度图

通过上图知道，闸瓦在制动过程中随着热量的增加，能量不断地积累增多，在模拟的时间内最终达到一个最大值，而车轮的动能最终归为零值。而闸瓦的加速度差别不大。36

在现代起重机械设计中，对桥式起重机箱形梁的优化设计研究无疑占有很重要的地位。桥式起重机可在长方形场地及其上空作业，多用于车间、仓库、露天堆场等处的物品装卸，有梁式起重机、桥式起重机、龙门起重机、缆索起重机、运载桥等。因此，对桥式起重机主梁进行研究，使其结构更加合理化，对推动我国起重机行业的发展具有积极的意义。5.3基于ANSYS的桥式起重机主梁工作过程的有限元仿真5.3.1桥式起重机主梁工作过程的仿真背景37

原有的起重机设计方法多为传统的设计方法，对许多实际情况进行了简化和理想化，或采用很大的安全系数来确保运行中所遇到的突发情况时的安全性。这样就使其浪费了许多材料，并增加了许多基建费用。

目前在实际应用中普遍采用的是实腹式箱形梁结构。于是对于优化箱形主梁的结构参数，可以节约资源节省各项成本费用，带来巨大经济效益。但是目前对于如何选用箱形梁的结构尺寸，用有限元法来分析桥式起重机的变形情况和应力分布状况，这种方法已经比较成熟，在实际中证明具有较好的精度。381.连接方法概述目前各个软件之间的连接和模型交换一般通过以下方法进行：1)中间数据格式2)软件转换接口而Pro/E与ANSYS之间有以下方法进行文件交换：1)通过中间数据格式.IGES进行转换2)通过中间数据格式.ANS进行转换3)Pro/E和ANSYS间软件转换接口连接（无缝连接）2.Pro/Engineer和ANSYS接口配置方法ANSYS在默认的情况下是不能将Pro/E中的“.prt”文件直接进行转换的，必须通过相应的配置设置来激活该数据连接接口使其正常工作。下面就是进行配置的整个过程：1)点击开始菜单里的所有程序中的ANSYS10.0]——[Utilities]——[ANS_ADMIN]，出现ANS_ADMIN10.0对话框，如图5-42所示，选择[Configurationoptions]——[OK]，出现Configurationoptions配置对话框。5.3.2计算机仿真设计中文件交换简介39图5-42ANS_ADMIN界面2)在接下来的对话框中分别做如下选择：[ConfigureConnectionforPro/E]——[OK]；[ANSYSMultiphysics&win32]——[OK]；如图5-43所示。图5-43configuration界面40图5-44configuration配置成功界面3)配置成功后会出现连接成功的对话框，如图5-44所示。

出现如图5-45再进行如下设置：Pro/Engineerinstallationpath：输入Pro/E的安装路径，如，C:\ProgramFiles\proeWildfire4.0，LanguageusedwithPro/Engineer：中文版就填chinese_cn——OK；然后会出现图5-46所示的配置成功对话框，提示在Pro/E目录下成功建立了一个“prokt.dat”文件，点击确定即完成配置。图5-45Pro/E安装路径及语言设置界面图5-46Pro/E安装路径及语言设置成功界面414)修改“protk.dat”文件。在Pro/E安装目录文件中找到“protk.dat”文件，路径是“#:\ProgramFiles\proeWildfire4.0\i486_nt\text\chinese_cn\protk.dat”。用记事本打开“protk.dat”，然后在“allow_stopTRUE”和“revision24.0”之间加上“unicode_encodingFALSE”，如图5-47所示，最后保存并关闭。

图5-47修改protk.dat文件

在上述配置过程全部完成之后，Pro/E主菜单上出现如图5-48所示的ANSYS10.0菜单，包括ANSConconfig和ANSYSGeom两个子菜单，其中ANSYSGeom就可以把Pro/E4.0中的模型直接传送到ANSYS中。

42图5-48配置完成后的Pro/E界面5)Pro/E中的配置为了实现ANSYS与Pro/E更全面的连接，我们还需要对Pro/E的文件作进一步的配置。点击[Tools]\[options]，在出现的Options对话框中，分别找到所需的选项名称并设置相应的值，其中各个选项名称及值如下：

选项设置值：fem_ansys_annotations——yes——将外壳名称的传递切换到ANSYSfem_ansys_grouping——yes——将组/层的传递切换到ANSYSfem_default_solver——ANSYS——指定缺省的求解器fem_which_ansys_solver——FRONTAL——指定ANSYS求解器fem_ansys_annotations——yes——切换载荷工况名称到ANSYSpro_ansys_path——“ansys.exe的路径”——指定到可执行的ANSYS的路径433.建模环境配置1)模型导入

打开Pro/E4.0，会发现在菜单两里面多了个【ANSYS10.0】的菜单。打开零件，选择【ANSYS10.0】——【ANSYSGeom】就可以将Pro/E三维模型导入ANSYS10.0。在ANSYS10.0中选择【Plot】——【Areas】或者【Volumes】可显示模型。以后进行分析直接在ANSYS中【File】——【ReadInputFrom】，在弹出的对话框中下选择这个“xxx.anf”文件，就可直接导入模型，避免了同时启动PRO/E和ANSYS，消耗大量的系统资源。2)单位制设置（a）将Pro/E模型复制到ANSYS的工作目录中，启动Pro/E，将其工作目录设置为ANSYS的工作目录，设置Pro/E的单位为国际标准单位制（m、N、sec、K），保存模型文件，单击菜单栏中的【ANSYS10.0】——【ANSYSGeom】将模型导入ANSYS。（b）单击【Plot】——【Volumes】，以体模式显示模型。（c）在ANSYS命令行中运行“/units,si”，将系统单位制设为国际标准单位制。（d）现在可以进行定义单元类型、材料属性、划分网格、定义分析类型和选项、约束与载荷的设置于加载、求解、进入扣处理器并查看结果等操作。44VonMises屈服准则是：复杂应力状态下的材料变形能达到单向拉伸屈服状态下的变形能