金属切削过程韧性断裂的有限元仿真现状

金属板裂纹缺陷的有限元仿真研究田晓;郝玉强;马妍;李亚男;周倩倩;梁妍【摘要】对具有相同大小人工缺陷的铝合金板、铜板、不锈钢板,在不同频率的条件下进行了有限元程序ansys仿真分析,通过对仿真结果的电磁场磁力线分布的分析,得出线圈的电流实部与电流虚部,进而得出对应的阻抗图.模拟结果为电阻率、频率会导致线圈阻抗变化,此结论对实际测试工作有一定的指导作用.%In this paper,the ansys simulation analysis on aluminum alloy plate,copper plate,and stainless steel plate under the different frequencies with the same artificial defects were carried out.Through the analysis of the magnetic field lines in the electromagnetic field distribution,the test gives the real and the imaginary part of the current,and the corresponding impedance map is obtained.The simulation result points out that the impedance of the coil is changed due to the resistivity,frequency and defects.The conclusion is valuable for practical testing.【期刊名称】《河北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(038)002【总页数】7页(P133-139)【关键词】涡流检测;ansys仿真技术;缺陷;激励频率【作者】田晓;郝玉强;马妍;李亚男;周倩倩;梁妍【作者单位】河北大学质量技术监督学院,无损检测研究所,河北保定071002;河北大学质量技术监督学院,无损检测研究所,河北保定071002;河北大学质量技术监督学院,无损检测研究所,河北保定071002;河北大学质量技术监督学院,无损检测研究所,河北保定071002;河北大学质量技术监督学院,无损检测研究所,河北保定071002;河北大学质量技术监督学院,无损检测研究所,河北保定071002【正文语种】中文【中图分类】TB332金属板材制作的各种零件如罐体、壳体、机翼等在实际使用过程中难免会发生各种划伤出现裂缝，影响其表面质量，进而可能会出现疲劳损伤甚至断裂现象，为了安全起见要及时发现其裂纹等缺陷．在实际测量过程中要对这些金属板材的涡流检测规律加以了解，需要耗费大量的时间和资源进行实验．针对上述问题，使用有限元仿真软件根据实际参数建立检测模型，通过有限元程序ansys仿真软件进行仿真，获得相关检测条件以及检测传感器的相关数据，有利于提高实际检测工作的效率、降低检测成本．本文利用有限元软件对实验试件(含有深2 mm、宽为1 mm缺陷的铝合金板、铜板、不锈钢板)进行仿真研究，获得如磁力线图(包括实部与虚部部分)、涡流密度图、线圈阻抗图等信息，得出频率、电导率对线圈阻抗的影响，为实际检测工作中对缺陷测试的工作条件提供参考依据．1 电磁检测原理及金属板材涡流仿真频率的确定涡流检测是利用材料在电磁场的作用下，呈现出的电磁特性变化来判断被检查的材料组织及有关性能的一类实验方法．其原理是将通有交流电的线圈放置于待测的金属板上、外穿待测的金属管、或内穿穿待测的金属管时，线圈内及其附近产生交变磁场，使得试件中能产生旋涡状的感应交变电流，称之为涡流．涡流的大小和分布，除了与线圈的形状、尺寸、交流电流的大小和频率等有关系外，还取决于试件的磁导率、电导率、形状和尺寸、试件与线圈的距离以及表面是否有裂纹缺陷等．因此，在保持其他影响因素相对不变的条件下，利用探测线圈测量涡流所引起的磁场变化，可得知试件中涡流的大小和相位变化，进而可获得有关电导率、材质状况、其他物理量(如尺寸、形状等)的变化或检测是否有缺陷的存在．由电磁理论可知，在半无限平面导体中，涡流密度在导体表面随着深度的加深，呈现负指数衰减．当涡流密度衰减到导体表面涡流密度的36.8%时的深度，称这个深度为涡流渗透深度．渗透深度可由下列2个公式表示：(1)式中，ρ为电阻率，f为频率，μr为相对磁导率，δ为渗透深度．(2)式中，f为频率，σ为电导率，μ为磁导率，δ为渗透深度.根据缺陷深度利用式(2) 可以确定测试频率．通过计算和实际操作结合确定能出现测试图像的结果，确定对铜板、铝合金板以及不锈钢板采用测试频率为5、6、7 kHz．由于ansys软件具有处理电磁场问题的功能，利用此项功能将带缺陷金属板在激励电压作用下的电涡流进行仿真，获得在不同频率激励电压的情况下的涡流密度图以及阻抗幅值和相位图，通过分析获得一定的规律，可为检测工作提供参考并可节省费用.2 仿真模型的建立2.1 有限元模型及参数为了减少过多的数据处理，本文采用ansys二维谐波磁场分析计算，研究带缺陷金属板材磁场、线圈实验频率对阻抗图的影响．分析所用参数如表1、表2所示．表1 仿真材料的电阻率Tab.1 Resistivity of the simulated material材料电阻率/(10-8Ω·m)线圈3铝合金板0．58铜板1．673不锈钢板70表2 线圈特性及负载Tab.2 Coil characteristics and load线圈N/匝线圈宽度/(10-3mm)线圈高度/(10-3mm)载荷/V4003512cost2.2 ansys有限元模型根据试样大小和线圈相关参数建立ansys有限元模型如图1所示．人工缺陷尺寸为深1 mm、宽2 mm的槽．仿真过程中对应的网格图如图2所示．图1中A5图形范围表示带缺陷金属，A2表示线圈，A1表示空气．图1 有限元电磁场分析模型Fig.1 Finite element electromagnetic field analysis model图2 分析对应的网格Fig.2 Analyze the corresponding grid graph2.3 电流、线圈阻抗、磁感应强度实部与虚部的获得方法此仿真采用耦合场载荷．耦合场载荷是以一种分析得出的结果来作为另一种分析的载荷．在磁场分析中将结构分析中的力载荷当作磁场分析中的磁力载荷，经过仿真获得耦合线圈的电流自由度，施加磁力线平行边界条件，然后分别对金属板施加力载荷、对线圈施加电压降载荷，通过求解和后处理得到仿真结果．后处理过程中，用以下办法得到线圈阻抗的实部与虚部、磁力线的分布、涡流密度分布．2.3.1 探头线圈电流实部与虚部的获得通过ansys分析得到线圈电流的实部ireal(ansys软件中用curreal表示)、虚部iimag(ansys软件中用curimag表示)．2.3.2 线圈阻抗实部与虚部的获得通过以下公式得到线圈阻抗的实、部虚部，在aysys中可直接获得．Z=Zreal+jZimag,Zreal=V*sqrt(2)*ireal/i,Zimag=V*sqrt(2)*iimag/i,ansys软件中阻抗实部和虚部分别用ZREAL和ZIMAG表示．2.3.3 磁感应强度实部与虚部的获得通过ansys分析得到所求的所对应的磁感应强度的实部BSUMreal(ansys软件中用BSUM1表示)和虚部BSUMimag(ansys软件中用BSUM2表示)．然后通过读取结果数据获得电流和磁感应强度的实部与虚部、线圈阻抗的实部和虚部、涡流密度等．3 仿真结果试件缺陷大小为2 mm、激励频率5、6、7 kHz的情况下，查看这些参数变化对磁场磁力线的分布以及涡流分布，得出相对应点的磁感应强度，比较各个仿真中的磁感应强度，从而得出的磁场磁力线分布、涡流图分布以及阻抗图．图3是带缺陷铜板5 kHz的ansys仿真图像，其他材料和频率的仿真图像类似．a.磁场实部分布；b.磁场虚部分布；c.涡流密度分布.图3 在频率5 kHz条件下铜板的ansys仿真Fig.3 ANSYS simulation of copper plate at 5 kHz frequency在5 kHz仿真分析获得的阻抗测试结果如表3所示．表3 5 kHz频率下的测试结果Tab.3 Test results at 5 kHz frequency材料电阻率/(10-8Ω·m)Zreal/ΩZimag/ΩZ/Ωθ/(°)铝合金0．584．487746349．6547747610．496236865．1029891铜1．6734．454282879．5042280510．64680965．3383184不锈钢704．157015110．480899611．275195468．4000276根据仿真参数可得到图4线圈阻抗．a.线圈阻抗；b.阻抗幅值与电阻率关系;c.相位角与电阻率关系.图4 在 5 kHz条件下的线圈阻抗幅值和相位Fig.4 Coil impedance correlation diagram at 5 kHz frequency由图4可知，对于含有深度为2 mm缺陷的不同材料的试件，在相同激励频率(5 kHz)的作用下线圈的阻抗幅值随电阻率的增加而增加，相位随电阻率的增加也增加．在6 kHz频率获得的测试结果如表4所示，根据仿真参数可得到图5．对于含有深度为2 mm缺陷的不同材料的试件，在相同激励频率(6 kHz)的作用下线圈的阻抗变化如图5所示，阻抗的幅值和相位随电阻率的增加而增加．表4 6 kHz频率下的测试结果Tab.4 Test results at 6 kHz frequency材料电阻率/(10-8Ω·m)Zreal/ΩZimag/ΩZ/Ωθ/(°)铝合金0．584．5668607711．341067312．208436768．3068624铜1．6734．5195264311．512710812．38542468．3974429不锈钢704．2111497912．565527113．252405671．5084404a.线圈阻抗；b.阻抗幅值与电阻率关系;c.相位角与电阻率关系.图5 在6 kHz线圈阻抗幅值和相位Fig.5 Coil impedance correlation diagramat 6 kHz frequency在7 kHz频率获得的测试结果如表5所示．根据仿真参数可得到图6所示结果．在7 kHz的检测频率下，检测线圈检测铜板、铝合金和不锈钢板的阻抗幅值、相位与在5、6 kHz检测频率下的测试结果类似．表5 7 kHz频率下的测试结果Tab.5 Test results at 7 kHz frequency材料电阻率/(10-8Ω·m)Zreal/ΩZimag/ΩZ/Ωθ/(°)铝合金0．584．6408504414．362332214．893460372．1259398铜1．6734．5802316914．171684415．093511272．129546不锈钢704．2728888915．644686216．217699874．7617991a.线圈阻抗；b.阻抗幅值与电阻率关系;c.相位角与电阻率关系.图6 在7 kHz 条件下的线圈阻抗幅值和相位Fig.6 Coil impedance correlation diagramat 7 kHz frequency3.4 同种材料在不同频率下的仿真结果比较将3种带有人工缺陷金属板在5、6、7 kHz测试频率下仿真获得的线圈阻抗及阻抗的实部与虚部分别列于表6、表7、表8，以便于分析频率以及材料种类(电阻率)的对检测线圈阻抗的影响结果.表6 带缺陷铝合金板的在5、6、7 kHz测试频率的仿真结果Tab.6 Test results with defective aluminum alloy plateat 5、6、7 kHz test frequency测试频率/kHzZreal/ΩZimag/ΩZ/Ωθ/(°)54．487746349．6547747610．64680965．1 02989164．5668607711．512710812．38542468．397442974．64085044 14．362332215．093511272．129546表7 带缺陷铜板的在5、6、7 kHz测试频率的仿真结果Tab.7 Test results with defective copper plate at 5、6、7 kHz test frequency测试频率/kHzZreal/ΩZimag/ΩZ/Ωθ/(°)54．454282879．5042280510．496236865．338318464．5195264311．341067312．208436768．306862474．580231 6914．171684414．893460372．1259398表8 带缺陷不锈钢板的在5、6、7 kHz测试频率的仿真结果Tab.8 Test results with defective a stainless steel plateat 5、6、7 kHz test frequency测试频率/kHzZreal/ΩZimag/ΩZ/Ωθ/(°)54．157015110．480899611．275195468．4 00027664．2111497912．565527113．252405671．508440474．2728888915．644686216．217699874．7617991由表6、7、8可看出，同种材料在5、6、7 kHz 3种频率下的仿真结果都是随着频率的增加线圈阻抗的幅值和相位均增加．同一频率测试不同材料的阻抗从小到大减少的排列顺序为铝合金板<铜板<不锈钢板.4 结论通过采用有限元程序ansys软件对带有槽形缺陷的铜板、铝板以及不锈钢板进行的电磁涡流仿真，得知在某一范围内的相同激励频率下线圈感受的幅值和相位是不同的，而且随电阻率的增加而增加，同种材料的线圈阻抗值随频率的增加而增加.这一结论为实际测量工作提供了相关的参考数据，使检测工作少走弯路，起到一定的指导作用．参考文献：[1] 李来平，彭明峰，周建平，等.铝合金熔焊缝表面缺陷阵列涡流检测的仿真和试验[J].无损检测，2017，39(3)：51-54.LI L P，PENG M F，ZHOU J P，et al．Simulation and experiment of eddy array current testing of aluminum alloy fusion welding surfacedefect[J].Nondestructive Testing，2017,39(3): 51-54.DOI:10.11973/wsjc201703013.[2] 王志春，张楼成，袁小健.基于ANSYS电涡流测厚线圈的优化设计[J].仪表技术与传感器，2017(4)：49-53.WANG Z C,ZHANG L C,YUAN X J.Optimal design of eddy current Thickness coil Based on ANSYS[J].Instrument Technique and Sensor，2017(4):49-53.[3] 厚康，周海婷，王清，等.基于有限元仿真的薄板焊缝缺陷涡流检测[J]．信号分析仪表技术与传感器，2017，37(4)：99-102.HOU K,ZHOU H T,WANG Q,et al.Analysis of eddy current testing signal ofsheet metal weld defects based on finite element simulation[J].Instrument Technique and Sensor，2017,37(4):99-102.[4] 吴德会，黄松岭，赵伟，等.管道裂纹远场涡流检测的三维仿真研究[J].系统仿真学报，2009，21(20)：6626-6629.WU D H,HUANG S L,ZHAO W,et al.Research on 3-D simulation of remote field eddy current detection[J].Journal of System Simulation,2009,21(20): 6626-6629.DOI:10.16182/ki.joss.2009.20.011.[5] 杨理践，郭晓婷，高松巍.管道内表面缺陷的涡流检测方法[J].仪表技术与传感器，2014(10)：78-81.YANG L J,GUO X T,GAO S W.Method of the eddy current testing to pipeline Inner surface defects[J].Instrument Technique and Sensor,2014(10): 78-81.[6] 王悦，王壮壮，吴涛，等.金属板材厚度涡流检测仿真与实验[J].实验室研究与探索，2016，35(4)：87-89.WANG Y,WANG Z Z,WU T,et al.Simulations and experiments on thickness measurement of metal plates using eddy current method[J].Research and Exploration in Laboratory,2016,35(4): 87-89.[7] 王燕礼，朱有利，白爬，等.管道涡流信号的有限元仿真研究[J].计算机仿真，2013,30(5)：425-428.WANG Y L,ZHU Y L,BAI P,et al.Finite element method simulation researchon[J].Computer Simulation,2013,30(5)：425-428.[8] 陈军，蔡桂喜，林莉，等.基于ANSYS仿真分析的管材涡流检测频率优化研究[J].失效分析与预防，2014， 9(5)：257-261.CHEN J,CAI G X,LIN L,et al.Eddy Current testing frequency optimization ofsteel tube based on ANSYS simulation[J].Failure Analysis and Prevention,2014,9(5): 257-261.[9] 付跃文，喻星星.油套管腐蚀脉冲涡流检测中探头类型的影响[J].仪器仪表学报，2014，35(1)：208-217.DOI:10.19650/ki.cjsi.2014.01.029.FU Y W,YU X X.Effect of probe type on corrosion inspection of tubing and casing stringy with pulsed eddy current[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2014,35(1):208-217.DOI:10.19650/ki.cjsi.2014.01.029. [10] 杨盼盼，曹丙花，范孟豹，等.脉冲涡流厚度检测仿真与实验研究[J].传感技术学报，2016，29(6):821-825.YANG P P,CAO B H,FAN M B,et al.Simulation and experimental investigation of thickness measurement using pulsed eddy current technique[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators,2016,29(6)：821-825.[11] 党娜，王维斌，张涛，等.管道腐蚀脉冲涡流检测的三维仿真与试验[J].无损检测2017,39(2)：57-60.DANE N,WNG W B,ZHANG T,et al.3D simulation and experiment of pulsed eddy current testing for pipeline corrosion[J].NondestructiveTesting,2017,39(2): 57-60.DOI:10.11973/wsjc201702014.。

金属切削理论大作业2017年04月1基于ANSYS金属切削过程的有限元仿真付振彪，2016201064天津大学机械工程专业2016级研究生机械一班摘要：本文基于材料变形的弹塑性理论，建立了材料的应变硬化模型，采用有限元仿真技术，利用有限元软件ANSYS，对二维正交金属切削过程中剪切层及切屑的形成进行仿真。

从计算结果中提取应力应变云图显示了工件及刀具的应力应变分布情况，以此对切削过程中应力应变的变化进行了分析。

关键词：有限元模型；切削力；数学模型；二维模型；ANSYS1 绪论1.1金属切削的有限元仿真简介在当今世界，以计算机技术为基础，对于实际的工程问题应用商业有限元分析软件进行模拟，已经成为了在工程技术领域的热门研究方向，这也是科学技术发展所导致的必然结果。

研究金属切削的核心是研究切屑的形成过程及其机理，有限元法就是通过对金属切屑的形成机理进行模拟仿真，从而达到优化切削过程的目的并且可用于对刀具的研发。

有限元法对切屑形成机理的研究与传统的方法相比，虽然都是对金属切削的模拟，但是用有限元法获得的结果是用计算机系统得到的，而不是使用仪器设备测得的。

有限元法模拟的是一种虚拟的加工过程，能够提高研究效率，并能节约大量的成本。

1.2研究背景及国内外现状最早研究金属切削机理的分析模型是由Merchant [1][2]，Piispanen[3]，Lee and Shaffer[4]等人提出的。

1945 年Merchant 建立了金属切削的剪切角模型，并确定了剪切角与前角之间的对应关系这是首次有成效地把切削过程放在解析基础上的研究，成功地用数学公式来表达切削模型，而且只用几何学和应力-应变条件来解析。

但是材料的变形实际上是在一定厚度剪切区发生的，而且它假设产生的是条形切屑，所以该理论的切削模型和实际相比具有很大的误差。

1951 年，Lee and Shaffer 利用滑移线场(Slip Line Field)的概念分析正交切削的问题。

基于有限元模拟的金属切削力分析金属切削力是在工业中广泛应用的一个重要参数，它对于刀具寿命、加工精度和机床刚度等方面都有着重要的影响。

为了准确地分析金属切削过程中的切削力，有限元模拟成为一种常见而有效的方法。

本文将基于有限元模拟来分析金属切削力，并探讨其在实际应用中的意义与挑战。

金属切削力分析是通过模拟金属切削过程中力的产生和传递来实现的。

有限元模拟是一种数值计算方法，将复杂的连续体问题离散化成有限个简单区域，通过数学方法求解区域内的物理方程，从而得到问题的解。

在金属切削力分析中，有限元模拟可以将工件、切削刀具和切削过程中的载荷等要素简化为有限个简单区域，通过建立适当的数学模型，计算得到切削力的分布和变化规律。

金属切削过程中的切削力主要包括切削力和法向力，它们受到多种因素的影响，如工件材料的力学性质、刀具材料和几何形状、进给速度和切削深度等。

有限元模拟可以模拟这些力的产生和传递过程，并通过仿真分析来评估不同工艺参数对切削力的影响。

在实际应用中，准确地预测金属切削力可以为工业生产提供重要的参考，比如在刀具选择、切削参数优化和切削质量控制等方面发挥重要作用。

然而，金属切削力的有限元模拟也面临着一些挑战。

首先，精确地建立金属切削力的数学模型是关键。

模型的建立需要考虑到金属切削过程中的热、力和位移等多重因素的相互作用，并综合考虑金属材料的非线性变形和切削效应等。

其次，有限元模拟需要准确地描述金属切削过程中的边界条件。

切削力的分析需要确定工件和刀具的接触情况、切削刃的磨损和热耗散等。

最后，有限元模拟还需要考虑到计算效率和准确性的问题。

随着计算资源的提升和算法的改进，有限元模拟在金属切削力分析中的应用也取得了不断的发展与完善。

在金属切削力分析的实际应用中，有限元模拟可以通过优化切削参数和改进工艺流程来降低切削力的大小，从而提高加工效率和零件质量。

同时，有限元模拟还可以为刀具设计提供科学依据，减轻刀具磨损和延长刀具寿命。

金属切削过程韧性断裂的有限元仿真现状工件材料的断裂准则是金属切削加工有限元仿真的关键技术。

分析了国内外金属切削加工有限元仿真的研究现状，并进一步对不同工件材料的断裂仿真技术的特点、适用条件进行了比较分析，指出了现阶段工件材料断裂准则仿真技术尚存在的问题，探讨了切削过程有限元仿真技术的发展趋势，为切削过程有限元建模发展提供一定的参考。

标签：金属切削：韧性断裂；有限元模型引言金属切削加工在21世纪依然是机械制造业的主要加工方法。

它在保证高效率和低成本的基础上，通过刀具和工件的相互作用，去除工件表面的多余材料，来获得所需工件形状、加工精度和表面质量要求。

而在在金属切削加工工艺中，不可避免地出现材料断裂现象，所以必须合理地利用材料产生的断裂，才能实现切削工艺过程[1]。

现代工业研究方法主要包括三种：理论分析、试验研究和有限元仿真，这三种方法可以综合利用。

有限元技术以其周期短、结果准确、成本低等诸多优点，获得了广大工程技术和研究人员的青睐。

基于有限元仿真技术强大的数值分析能力，它已成为定量研究金属切削加工过程的有效手段，该技术对减少制造成本，缩短产品制造周期和提高产品质量具有重要意义。

1 应用背景19世纪中期，人们开始对金属切削过程的研究，到现在已经有一百多年历史。

由于金属切削本身具有非常复杂的机理，对其研究一直是国内外研究的重点和难点。

过去通常采用实验法，它具有跟踪观测困难、观测设备昂贵、实验周期长、人力消耗大、综合成本高等不利因素。

传统的切削过程研究中，试验法是最主要的研究方法，即根据试验结果得出经验公式，从而预报切削力。

日益增长的时间设备材料和人力成本的消耗促使人们寻找更通用、更有效的研究方法。

而有限元法在分析弹塑性大变形问题，包括分析需要考虑与温度相关的材料性能参数和具有很大的应变速率的问题方面有着杰出的表现。

在金属断裂行为的预测方面，有限元技术可以对其进行模拟仿真，仿真过程能否顺利进行，对断裂行为的预测准确与否，取决于很多因素，其中断裂准则的准确获得以及有限元仿真过程断裂行为网格的调整和重新划分技术，成为工艺顺利进行和结果准确的关键。

1.1.1 有限元法应用于切削加工过程的研究现状传统方法研究金属材料的切削加工技术是依赖于实验分析的，这一方法虽然在数值上接近于实际数值，但是无法从微观上观察和理解切削变形、切屑形成或者刀具磨损等机理，为了弥补此缺陷，随之而来的便是虚拟制造技术[29]。

应用有限元仿真方法可以观察加工过程中的物理现象，通过物理或数学模型来模拟实际系统，实现了对参数如温度、应力、变形、磨损量等数值的可视化，还可用来预测材料加工中的表面缺陷，指导刀具的设计与刀具参数的优化，优化切削加工工艺参数等，因此有限元技术的出现对切削过程的研究有十分重大的意义[30]。

为了研究复合材料的切削机理，有限元技术被应用于复合材料切削过程的模拟。

国外学者Arola 和Ramulu 把单向复合材料的切削过程简化为基于有限元理论的正交切削模型，对仿真所得切削力的值与实验值进行了比较，经验证仿真结果与实验结果相近[31]。

Mahdi 和Zang 等人分别建立了复合材料切削二维、三维有限元模型，把其等效为各向同性的金属材料，分析了切削力与纤维方向之间的关系[32,33]。

随后，Mahdi 和Zang 又提出了一种利用ADINA 软件研究复合材料加工的准静态方法，切削刀具被视为刚性，工件材料被假定为一个等效的均匀各向异性材料，不考虑摩擦因素[34]。

针对颗粒增强复合材料切削过程的研究，悉尼大学Pramanik 等人建立了刀具和工件材料二维切削的有限元模型，模拟了切削的变形和刀具与增强材料的相互作用，得出结论：切削加工的表面质量和刀具的磨损的影响因素主要是其增强材料[35]。

对于颗粒增强复合材料的表面损伤和切削过程中切削力的研究，Chinmaya 等人应用有限元仿真软件建立了工件的三维有限元切削模型，完整的模拟了切削过程，得出的仿真结果与实际结果高度近似[36]。

有关纤维增强复合材料的有限元技术，Budan 和Vijayarangan 建立了一个有限元模型来预测纤维含量对切削力和分层的影响[37]。

金属切削过程模拟的有限元仿真摘要: 本文在建立车削三维有限元模拟基础上，运用有限元对车削过程中车削的变形系数，工件与刀具的温度分布，切削力进行了模拟，并对结果进行了分析讨论。

该模拟的结果对实际工作有重要的现实作用。

关键词：切削 有限元 模拟1 绪 论1.1本课题的研究背景1.1.1微电子等领域突出的散热问题在现代工业领域，有很多专门用途的设备，它们的工作性能和工作效率取决于关键零件的结构和性能，如空气冷却器，热交换器的散热管，激光器热辐射表面，环保设备的过滤表面，螺纹表面等等。

我们把这类起特定作用的表面统称为“功能表面”。

这些表面大多数采用组装式结构（套装、镶嵌、钎焊、高频焊）、切削、滚压等方法加工。

早在19世纪中期，Jone 就提出在管内插入螺旋线以强化蒸汽的冷凝过程，从此人们就开始了在传热管等传热材料上进行翅加工技术的研究。

70年代出现能源危机，研究翅化管的加工技术及其强化传热机理有了进一步的发展，随着加工制造技术的不断进步，近20年来对强化换热元件的研究在化工、能源、制冷、航空、电子等工业部门有了很大的进展，各式各样的强化换热元件层出不穷，为提高传热效率作出了重要的贡献。

但是随着微电子及化工等领域，尤其是微电子领域对产品性能的无限追求，芯片集成度不断提高，带来致命的高热流密度，电子器件的冷却问题越来越突出。

英特尔公司负责芯片设计的首席执行官帕特-盖尔欣格指出，如果芯片耗能和散热的问题得不到解决，到2005年芯片上集成了2亿个晶体管时，就会热得象“核反应堆”，2010年时会达到火箭发射时高温气体喷射的水平，而到2015年就会与太阳的表面一样热。

目前芯片发热区域（cm cm 5.15.1 ）上的功耗已超过105W ，且未来有快速增加的趋势。

芯片产生的这些热量如果不能及时散出，将使芯片温度升高而影响到电子器件的寿命及工作的可靠性，因而电子器件的有效散热方式已成为获得新一代电子产品的关键科学问题之一。

金属切削原理中切削力效果的仿真模拟研究随着工业技术的快速发展，金属切削加工在各个领域中都扮演着重要的角色。

而在金属切削加工过程中，切削力效果的研究对于提高切削加工的效率和质量具有重要的影响。

本文将以金属切削原理中切削力效果的仿真模拟研究为题，探讨金属切削过程中切削力的影响因素以及仿真模拟的方法。

首先，我们需要了解金属切削加工中切削力的概念和作用。

切削力是指在金属切削过程中刀具对工件产生的力。

它是通过与工件表面接触形成的摩擦力和切削力的合力，用于克服金属材料的强度和硬度，从而将金属材料切削成预定形状和尺寸的零件。

切削力直接影响着切削加工的效率、切削工具的寿命以及加工表面质量等方面。

在金属切削过程中，切削力的大小和方向受到多种因素的影响。

首先是刀具的几何形状和刀具材料的选择。

刀具的刃角、刃宽以及刀具材料的硬度和耐磨性等因素都会直接影响切削力的大小。

其次是被切削材料的性质。

材料的硬度、塑性和热导率等特性都会对切削力产生影响。

此外，切削速度、进给量和切削深度等工艺参数也会对切削力产生影响。

因此，研究这些影响因素对切削力的影响是非常必要的。

为了研究金属切削过程中切削力效果，研究人员常常采用仿真模拟的方法。

仿真模拟可以通过建立切削力的数学模型和计算机模拟技术，准确预测切削过程中的切削力大小和方向，并分析各种影响因素对切削力的影响。

其中，有限元法是一种常用的仿真模拟方法。

有限元法是一种数值计算方法，广泛应用于工程领域中的结构力学和材料力学问题。

在金属切削过程中，有限元法可以通过将切削区域划分成许多小块，建立小块上的切削力模型，并通过求解数学方程组来计算切削力的大小和方向。

通过调整模型中的参数，如刀具几何形状、工件材料特性、切削速度等，可以得到不同情况下的切削力效果。

此外，还可以使用商业仿真软件来进行金属切削过程中切削力效果的仿真模拟研究。

这些软件通过提供各种切削过程的模型和计算工具，能够更加方便地进行切削力的预测和分析。

金属切削中断裂行为的原因分析及预防摘要：金属切削中断裂行为对加工质量和生产效率都有着重要影响。

本文主要通过对金属断裂行为的原因进行分析，并提出了相应的预防措施。

首先，介绍了金属切削中断裂行为的分类和常见的断裂模式。

然后，对金属切削中断裂的原因进行了详细的分析，包括切削力过大、切削速度过高、加工温度过高、材料缺陷等。

最后，通过合理选择切削参数、改进加工工艺、提高材料质量等方面提出了预防金属切削中断裂的措施。

1. 引言金属切削中断裂行为是金属加工过程中经常遇到的问题，不仅影响产品品质，还容易导致工具破损和机械设备故障。

因此，了解金属切削中断裂的原因以及如何预防断裂行为对于提高加工效率和产品质量具有重要意义。

2. 金属切削中断裂行为的分类和常见断裂模式根据断裂的形态和特点，金属切削中断裂行为可以分为两类：韧性断裂和脆性断裂。

在韧性断裂中，金属的断裂面上具有明显的韧突，并且很少伴随有明显的脆性表现。

而脆性断裂则表现为断裂面上往往有明显的裂纹和断裂形貌特征。

常见的金属切削中断裂模式包括拉伸断裂、剪切断裂、挤压断裂和疲劳断裂。

拉伸断裂是一种应力集中断裂模式，发生在材料受到轴向拉力作用时。

剪切断裂发生在材料受到剪切力作用时，常见于切削过程中。

挤压断裂主要在轴向压应力作用下发生，常见于冷挤压加工中。

疲劳断裂是由于材料受到循环应力作用而引起的断裂，常见于循环载荷下的金属件。

3. 金属切削中断裂的原因分析3.1 切削力过大金属切削过程中，过大的切削力会导致刀具与工件间的摩擦增大，从而导致严重热量堆积和材料的塑性变形。

这会使材料出现变形和剧烈的应力集中，最终导致断裂。

3.2 切削速度过高切削速度过高会导致刀具与工件间的摩擦增大，从而引起材料表面的高温和应力集中。

高温和应力集中会导致材料的塑性减少，使其更容易发生断裂。

3.3 加工温度过高在金属切削过程中，加工温度的升高会导致材料的塑性降低，从而使材料更加脆性，容易发生断裂。