有限元仿真技术在陶瓷基复合材料磨削加工中的应用-天津大学研究生e.docVIP

有限元技术在CMC磨削加工中的应用概述 李巾锭 天津大学机械学院机械制造及其自动化专业2012级硕士生CMC）是一种重要的国防基础材料，但是由于它所具备的优点和特性同时给加工带来了困难。鉴于传统的磨削方式加工脆性材料的实验条件难以控制、成本较高，有限元仿真技术的发展大大方便了对脆性材料的磨削机理的研究。本文以ABAQUS大型有限元分析软件为例，介绍有限元仿真在磨削加工中的必要性和优越性。 关键词：复合材料、磨削、有限元 0 前言 陶瓷基复合材料（Ceramic matrix composites，CMC）除了具备陶瓷材料耐高温、耐腐蚀、低密度和抗腐蚀等优点外，还克服了陶瓷基复合材料固有的脆性，增强了断裂韧性和冲击强度等[1]。 由于陶瓷基复合材料优异性能是重要的国防基础材料。陶瓷基复合材料所具备的优点和特性同时给加工带来了困难。磨削加工是陶瓷基复合材料的重要加工方式之一，[4]。目前国内外对陶瓷基复合材料的磨削加工研究仍处于初期阶段1 国内外发展现状 为了实现对该材料的二次加工，国内外采用了多种方式对陶瓷基复合材料进行加工，包括超声波加工、旋转超声波加工、磨料水射流切割、电火花加工和激光加工等。然而以上加工方式往往局限于孔加工或薄壁件加工，且加工效率低、生产成本高。尤其是电火花加工和激光加工属于能量加工，能量的输入会造成复合材料层的损伤，进而影响工件的性能。磨削加工是利用磨料去除材料的加工方法，是应用最为广泛的高效、精密终加工方法，也是部分脆性材料的唯一 加工方法。磨削加工对陶瓷基复合材料应用具有重要的意义，近年来引起国外学者的关注，但相关报道有限，且都局限于试验分析，缺乏系统的理论研究。国内对陶瓷基复合材料加工研究则较少，主要集中在初期的材料加工性能分析与个别非传统工艺加工试验[2]。 磨削过程是一个复杂的塑性变形过程，涉及到弹性理论、金属物理学、传热学等学科范围，用传统方法很难精确描述。目前国内外对陶瓷基复合材料的磨削加工研究仍处于初期试验阶段，陶瓷基复合材料磨削加工的材料去除机理尚不明晰，严重制约着磨削效率和加工质量的提高。通过研究单颗磨粒的磨削规律,可以更好地认识陶瓷基复合材料材料的磨削机理。但由于单颗磨粒的超精密磨削对试验条件要求苛刻、成本较高,使得试验的方法受到限制。而计算机仿真技术的发展,为解决这一问题提供了崭新的途径。鉴于有限元软件的强大分析能力，国内外越来越多的学者开始使用有限元方法对磨削过程的进行仿真，分析不同条件下磨削对与工件加工质量的影响。但对于脆性材料的磨削仿真相对较少，尤其是考虑冲击作用时硬脆材料磨削加工损伤做的工作不多[8]。 2 有限元法及ABAQUS软件应用 2.1有限单元法 有限元方法(Finite Element Method，FEM)自上个世纪60年代发展至今，已被人们公认是一种求解工程中所遇到的各种问题最有效、最通用的数值方法。随着计算机技术的发展，有限元方法在各个工程领域中不断地得到了广泛的应用。由单纯的结构力学计算发展到求解多物理场问题，由求解线性工程问题发展到分析各种非线性问题。目前国内外已开发了许多功能强大的通用和专用有限元分析软件，如ABAQUS、ANSYS、ADINA以及MSC公司的Mar等[10]。 有限单元法就是将连续体近似地离散为由单元组合而成的集合体，这些单元之间靠节点相连接。故在对连续体进行计算时就可以通过对单元的分析来实现对连续体的分析。具体而言就是，它的基本思想就是把连续体视为离散单元的集合体来考虑，即：“一分一合”[5]。分是为了进行单元分析，将某个工程结构离散为由若干个单元组成的计算模型，即单元划分，将连续体分解为有限个性态比较简单的单元。离散后的单元和单元之间利用节点连接，单元节点的设置、性质、数目等根据问题的性质以及描述变形形态的需要和计算精度而定(一般情况，单元划分越细，描述变形的情况就越精确，即越接近实际变形，但计算量也就越大)，如果划分的单元数目足够多而且又很合理，那么获得的结果就与实际情况十分接近；合是为了对整体结构进行综合分析，利用结构的力平衡条件、热平衡条件和边界约束条件等，把各个单元按照原来的结构重新连接起来，通过单元之间的纽带，即节点，完成过程变量的传递，最终形成整体的有限元方程。根据方程组的具体特点，选择合适的计算方法，求解这个方程，就可以得到工程需要的结果，例如:变形位移，变形力，应力分布，温度分布等等。 [7]。 实际中，将实际机械结构系统的物理模型离散为几何外形基本一致的由单元组成有限元模型。单元划分的粗细根据分析精度的要求及经济性的不同来决定，并非网格越细越好，过细的网格只是在增加计算分析时间，计算精度仅仅增加百分之几。但是与较粗网格相比，占用计算机资源增加数倍之多，同时较细网格会造成不同网格之间的连接困难。利用结构的