Een eindig elementmodel van highspeed metaalknippen met adiabatische afschuifbaarheid

Invoering

Titaniumlegeringen zoals Ti6al4V worden veel gebruikt in ruimtevaart en andere industriële toepassingen. Een groot deel van de productiekosten voor componenten van deze legeringen is te wijten aan bewerking. Het ontwerp van titaniumlegeringen met een betere machinaliteit is daarom een ​​tijdelijke onderzoeksdoel.

Om dit te bereiken, is het noodzakelijk om de belangrijke materiaalparameters te identificeren die de bewerkbaarheid van het materiaal kritisch beïnvloeden. Dit kan worden gedaan door parameterstudies met behulp van eindige elementen computer simu laties. Zodra de meest veelbelovende design -wegen zijn bepaald, kan de werkelijke legeringsaanpassing worden gedaan, wat dus alleen de laatste stap van het materiaalontwerpproces is. Deze benadering is vergelijkbaar met de standaard CAE -productiecyclus, waarbij slechts enkele prototypes worden gebouwd.

Het creëren van een betrouwbaar computermodel van het metaalknipproces is de eerste en cruciale stap in dit proces. In dit artikel beschrijven we een dergelijk model in enig detail. Het maakt gebruik van standaard eindige -elementensoftware voor de berekeningen, waardoor draagbaarheid en flexibiliteit wordt gewaarborgd. Aangezien de vereisten voor het meshing -algoritme vrij sterk zijn, is een speciale preprocessor ontwikkeld, die is geprogrammeerd in cþþ en dus ook draagbaar is voor verschillende platforms.

Het artikel is als volgt georganiseerd: Na een korte beschrijving van de vereisten op het model in sectie 2 worden de details van het eindige -elementenmodel gegeven in paragraaf 3. Sommige resultaten die met het model worden geproduceerd, worden weergegeven in sectie 4, gericht op de details van de chip voor matieproces. Sectie 5 vat het werk samen en wijst op toekomstige onderzoeksdoelen.

Het probleem

In het metalen snijproces wordt materiaal van het oppervlak van het werkstuk verwijderd door een snijgereedschap en wordt een chip gevormd. Het probleem omvat grote plastische vervormingen die een aanzienlijke hoeveelheid warmte genereren, net als de wrijving tussen gereedschap en werkstuk en ook tussen gereedschap en chip. De scheiding van werkstukmateriaal voor het gereedschap moet ook worden gemodelleerd. Omdat de invloed van de materiaalparameters belangrijker is voor overwegingen van het materiaalontwerp dan de details van het proces zelf, is het hier gesimuleerde snijproces dat van orthogonaal snijden. Het proces wordt gesimuleerd als tweedimensionaal, wat de computertijd die nodig is voor de berekening sterk verkort. Een verdere vereenvoudiging wordt gedaan door aan te nemen dat het gereedschap perfect rigide is.

Wrijving en warmtestroom in het gereedschap zijn tot nu toe verwaarloosd in de simulaties, maar kunnen gemakkelijk worden opgenomen. De reden voor deze weglating is dat het noodzakelijk is om het snijproces zoveel mogelijk te vereenvoudigen om inzicht te krijgen in de onderliggende mechanismen zoals hieronder zal worden verklaard. Er is ook geen thermische straling van het vrije oppervlak van de chip en is geen warmteoverdracht aan de grens van het materiaal toegestaan.

Snelle bewerking is een sterk niet-lineair probleem vanwege de hierboven beschreven effecten en het moet worden gesimuleerd met behulp van een volledig gekoppeld thermomechanisch eindig-elementenmodel. Het is daarom een ​​formidabele taak om een ​​eindige elementcode te ontdoen om het probleem van het metaalsnijprobleem helemaal opnieuw aan te pakken, zodat het gebruik van commerciële FE -software een aantrekkelijk alternatief is. Moderne eindige elementensoftware kan in principe dergelijke sterk niet-lineaire problemen oplossen. Voor onze studies hebben we besloten om het Abaqus/Standard-programmasysteem te gebruiken, dat de definitie van complexe contactcondities mogelijk maakt, veel mogelijkheden laat om materiaalgedrag te definiëren en in veel groeten kunnen worden aangepast door door de gebruiker gedefinieerde subroutines op te nemen. We veronderstellen dat de meeste van de hieronder beschreven methoden zouden werken met elk even krachtig FE -pakket. Vanwege het gebruik van gestandaardiseerde software, kan de formulering van de vergelijkingen (eindige elementenformulering, thermomechanische koppeling, integratieschema, enz.) Elders in grote details worden gevonden [3].

Veel eindige elementensimulaties van het metaalsnijproces worden uitgevoerd met behulp van de expliciete methode (zie bijvoorbeeld [17]), die gegarandeerd convergeert. (Een overzicht van simulaties van eindige elementen van het snijproces is te vinden in [16].) Niettemin hebben we besloten een impliciete code te gebruiken. Hier wordt convergentie gecontroleerd tijdens de simulatie, maar het iteratieve oplossingsproces zal niet langer gegarandeerd samenkomen. Een voordeel van het gebruik van de impliciete code Abaqus/Standard is dat hierdoor een groot aantal flexibele door de gebruiker gedefinieerde subroutines in de simulatie kan worden geïntroduceerd. Dergelijke routines kunnen worden gebruikt om gecompliceerde materiaalscheidingscriteria te implementeren. Daarnaast heeft de impliciete code een beter schaalgedrag als lokale verfijning van mesh nodig is. Als smalle afschuifbanden vormen, zijn elementgroottes in de volgorde van 1 lm of minder noodzakelijk (zie paragraaf 4.2) en het voordeel in de CPU -tijd van het gebruik van een expliciet algoritme zal sterk afnemen. Een expliciete methode is waarschijnlijk superieur als wrijvingseffecten groot zijn, wat hier echter niet het geval is. Aan de andere kant moeten expliciete methoden vaak enkele fysieke parameters veranderen, zoals dichtheid of gereedschapssnelheid, of moeten ze kunstmatige viscositeit gebruiken. Naar onze mening is er geen reden om een ​​impliciete simulatie te overwegen die inferieur is aan een expliciete, als convergentie kan worden bereikt.

Ook verschillend van vele andere simulaties, gebruiken we volledig geïntegreerde eerste-orde vierhoekige elementen, die betere convergentie-eigenschappen hebben dan driehoekige elementen. Dit wordt verder besproken in paragraaf 3.3.

Titaniumlegeringen vormen gesegmenteerde chips wanneer gesneden of thogonaal (zie Fig. 9). Elke gedetailleerde simulatie van het metaalsnijproces moet rekening kunnen houden met deze seg -mentatie. De mechanismen achter chip -segmentatie worden nog steeds niet volledig begrepen [12,15, 25,26]. Het is duidelijk dat de zogenaamde adiabatische afschuiving een prominente rol speelt in het segmentatieproces: thermische verzachting van het materiaal in de afschuifzone leidt tot een verhoogde vervorming in deze zone, die warmte veroorzaakt en leidt tot verder verzachting. Deze positieve feedback tussen verzachting en vervorming veroorzaakt een smalle band van extreem sterke vervorming, terwijl het SUR -afrondingsmateriaal slechts enigszins vervormd is. Het is echter niet bekend of de adiabatische afschuifbanden worden veroorzaakt door scheuren die in het materiaal groeien, zoals aangenomen in [25]. Als dit waar is, kan de spanningsconcentratie aan de scheurtip de vorming van de afschuifband induceren (zie bijv. [5]).

Voor het hier beschreven model gaan we ervan uit dat chip -segmentatie wordt veroorzaakt door pure adiabatische afschuiving, zonder dat scheuren optreden. Het is vrij duidelijk dat de effectieve plastic stroomcurve van een materiaalpunt in de afschuifband een maximum moet laten zien om dit mechanisme te houden. We hebben een stroomcurve -veld gebruikt waar zelfs de isotherme stroomcurves een maximum vertonen. Dit wordt verder gedetailleerd in paragraaf 4.1.

Als gesegmenteerde chips zich vormen, leidt de afschuifconcentratie tot een (bijna) discontinue vervorming van de chip. Er moeten maatregelen worden genomen om ervoor te zorgen dat het eindige -elementmates niet te veel vervormd is vanwege deze DE -vorming, vooral in een simulatie met behulp van vierhoekselementen.

Samenvattend moet de simulatie voldoen aan de volgende vereisten:

gebruik van vierhoekige elementen, zo regelmatig mogelijk, die extreem vervormde mazen vermijden;

Hoge gaasdichtheid in de afschuifzone;

Discontinue vervorming (segmentatie) van de chip;

Convergentie van het impliciete algoritme;

Gebruik van standaardsoftware voor draagbaarheid en flexibiliteit.

Het gebruik van een algoritme voor automatisch remeshing is verplicht in een simulatie van metaalknippen, omdat elementvervormingen groot worden in een Lagrangiaanse benadering Shing zorgt ervoor dat de elementen nooit te vervormd raken. Het kan ook worden gebruikt om een ​​verfijnd gaas te maken in de afschuifzone die met het materiaal beweegt (zie Fig. 6).

Standaard mesh -generatoren zijn echter niet in staat om de complexe taken die bij dit probleem betrokken zijn, zonder moeilijkheden om te gaan. Aldus is een preprocessor geprogrammeerd die de sterk gebogen regio's kan mazen die worden gecreëerd door het snijproces met behulp van vierhoek. De positie van de afschuifzone wordt automatisch bepaald met behulp van een geometrisch criterium en het gaas wordt daar verfijnd. De preprocessor wordt in de volgende sectie beschreven. Nadien worden details van het mazen creëren en van de modellering van de segmentatie uitgelegd.

Het eindige elementenmodel

Principes van het genereren van mesh

De gebruikte preprocessor (preþþ genoemd) is geschreven in cþþ met behulp van standaardklasse -bibliotheken en is dus draagbaar voor verschillende platforms. De preprocessor kan worden gebruikt om geparametriseerde geometriegegevens te berekenen, zodat modelparameters eenvoudig kunnen worden gewijzigd. Het is van toepassing op een breed scala aan problemen in twee en (met enkele beperkingen) in drie dimensies.

Dit is een quasi-lineair elliptisch systeem van vergelijkingen, dat kan worden opgelost met behulp van standaardmethoden. Het meshing -algoritme wordt meestal gebruikt om een ​​gaas te maken op een fysiek gebied dat het resultaat is van een eindige elementberekening, omdat het wordt gebruikt om het remeshingproces te automatiseren. Daarom worden de begrenzingslijnen gedefinieerd door de knooppuntposities van de vorige berekeningstap en zijn ze dus al gediscretiseerd. Om de vergelijkingen op te lossen, wordt een regelmatig rechthoekig gaas gebruikt waarbij de rastergrootte wordt gekozen om kleiner te zijn dan de kleinste afstand tussen knooppunten op de grensoppervlakken, zodat de contour van het oude en de nieuwe mesh het nauw mee eens is.

Aangezien het aantal oplossingspunten vrij groot moet zijn voor onregelmatig gevormde gebieden, is het voordelig om het oplossingsalgoritme met enige zorg te kiezen. We hebben besloten voor een volledig multigrid -algoritme zoals geïntroduceerd door Brandt [7]. Dit algoritme heeft het voordeel dat het snel, robuust is en dat het ook een schatting geeft van de afkappingsfout die bij de discretisatie betrokken is, zodat de berekeningen kunnen worden uitgevoerd totdat de numerieke fout vergelijkbaar is met de truncatiefout. Omdat de vergelijkingen niet-lineair zijn, moet een volledige benaderingsschema (FAS) -methode worden gebruikt. De multigrid-techniek is gebaseerd op het feit dat standaard relaxatiemethoden (zoals Gauss-Seidel) zeer efficiënt zijn bij het verminderen van het oscillerende deel van de oplossingsfout, terwijl het soepelere deel van de grote golflengte niet erg is. Daarom kan na een paar ontspanningsstappen elke vergelijking met de fout ook worden weergegeven op een grover rooster met minder punten. Ontspanning op dit groverere rooster vermindert opnieuw de componenten met kleine golflengte, die nu echter een grotere absolute golflengte hebben omdat het rooster grover is. Daarom wordt een recursief schema gebruikt wanneer de fout efficiënt wordt verminderd op alle betrokken lengteschalen. Dit algoritme is een standaardinstrument voor de oplossing van elliptische vergelijkingen, zodat de lezer wordt verwezen naar de literatuur voor meer informatie [20]. Het heeft slechts ongeveer een minuut nodig op een standaard werkstation, zelfs wanneer het aantal roosterpunten ongeveer 250.000 is zolang de grenzen van de regio niet te sterk gebogen zijn. Fig. 1 (a) toont de coördinaatlijnen die zijn gemaakt met het beschreven algoritme op een eenvoudig gebied.

Rentrant -hoeken in de regio kunnen leiden tot een sterk vervormd gaas in de buurt van de hoek. Dit kan op twee verschillende manieren worden vermeden: aanvullende brontermen kunnen aan de rechterkant van EQ's worden geïntroduceerd. (3) en (4). Deze brondermijnwerkzaamheden werken als punt- of regio -ladingen die de equipotentiaallijnen vervormen en dus de vervormingen kunnen verwijderen. Het is echter moeilijk om automatisch een geschikte grootte van deze brontermen te bepalen die onder alles goed werkt

Fig. 1. Voorbeelden van coördinatensystemen gegenereerd met het algoritme beschreven in de tekst:

(a) toont een eenvoudige regio, (b) toont een regio met een reentranthoek die wordt vermengd door het in twee delen te delen.

situatie. Daarom werd een andere benadering gebruikt: als het gaas te vervormd is in de buurt van een reentrant -hoek, wordt de regio in twee gesplitst bij een lijn die in deze hoek begint en aan de andere kant van de regio eindigt (zie Fig. 1 (B. )).

Daarna wordt de berekening afzonderlijk op beide delen van het gebied uitgevoerd. Dit gebeurt op een geautomatiseerde en recursieve manier, dus in principe kan de splitsing van het gebied willekeurig worden herhaald; Beschikbare geheugen- en computertijd zullen deze mogelijkheid echter beperken. Dezelfde aanpak werd ook gebruikt om gesegmenteerde chips te mesh.

Soms is het berekende gaas niet bevredigend, vooral in de regio in de buurt van de gereedschapstip. De Laplace -vergelijking leidt tot coördinaatlijnen die van deze regio worden verplaatst. Daarom maakt de preprocessor ook het gebruik van een eenvoudiger meshingtechniek mogelijk, namelijk transfiniet -interpolatie [24]. Dit werkt vooral goed als de chip niet sterk gebogen is, b.v. Wanneer chip -segmentatie optreedt en elk segment afzonderlijk wordt verdeeld zoals beschreven in de volgende sectie.

Modellering van chipsegmentatie

Titaniumlegeringen vormen gesegmenteerde chips bij alle gesneden snelheden en onder vele verschillende omstandigheden. In dit werk gaan we ervan uit dat chipsegmentatie uitsluitend wordt veroorzaakt door adiabatische afschuifbandvorming en dat er geen materiaalfalen of kraken in de afschuifzone plaatsvindt. Dit betekent dat vervorming altijd elastoplastisch en daarom continu is, maar vervorming kan extreem sterk en bijna niet te onderscheiden zijn van een discontinue DE -vorming. Een alternatieve benadering wordt beschreven in [5, 17,18].

Om een ​​gesegmenteerde chip te mazen die wordt gevormd door Shearing, moet de mesh -topologie worden gewijzigd, zoals getoond in Fig. 2. Hier draagt ​​één elementlijn in het gaas bijna alle vervorming en leidt tot een scherpe reentranthoek op de achterkant van de chip . Vergelijkbaar met de benadering die in de vorige sectie wordt beschreven, wordt deze reen trant -hoek gebruikt om het gaas in twee delen te verdelen, zoals weergegeven in het rechtergedeelte van de figuur. Aangezien het remeshing -algoritme vereist dat het aantal elementen in alle segmenten in de ‘‘ verticale ’richting hetzelfde moet zijn (andere wijze problemen zullen ontstaan ​​met de maasverfijning), zullen sommige schijnbaar vrije knooppunten optreden. De vrijheidsgraden van deze knooppunten zijn vastgesteld met behulp van een lineaire beperking, zodat de continuïteit van de vervorming op de ‘‘ vrije ’knooppunten wordt gewaarborgd. Merk op dat de lijn die de reentranthoek verbindt en de gereedschapszijde van de chip puur geometrisch wordt gekozen, d.w.z. deze is niet georiënteerd langs de

Fig. 2. Remes wanneer er een afschuifband optreedt. De discontinuïteit op de achterkant van de chip wordt verwijderd door nieuwe knooppunten te introduceren,

Dus dat meshing met quadrilaterals eenvoudig is. Sommige ‘‘ vrije ’knooppunten kunnen optreden op de naad tussen de twee gemessteerde regio's,

Deze worden vastgesteld met behulp van een lineaire beperking (zie Fig. 5 (b)). Merk op dat de gaasdichtheid daadwerkelijk wordt gebruikt in de simulaties van

Sectie 4 is veel hoger dan in de schetsen in deze sectie.

Shear Band. Een voordeel van deze methode is dat het al het gebruik van vierhoekige elementen lowt en dat het volledig kan worden geautomatiseerd voor een willekeurig aantal segmenten.

Keuze van het elementtype

In deze simulatie gebruiken we vierhoekige elementen, die betere convergentie -eigenschappen hebben dan Triangu Lar -elementen. Voor een volledig gekoppelde simulatie met behulp van remeshing Abaqus maakt het gebruik van volledig ingehoorde elementen van de eerste orde mogelijk.

Net als bij deze elementen zijn stammen continu over elementgrenzen, is een hoge gaasdichtheid nodig in gebieden met sterke plastic DE -formaties om grote spanningsgradiënten op te lossen. Omdat grote plastic stammen (zonder volumeverandering) te verwachten zijn tijdens de simulatie, hebben elementen met extra vrijheidsgraden meestal de voorkeur in metalen snijsimulaties. In het Abaqus -systeem is dynamische remeshing (herbestemming) met dergelijke elementen echter niet mogelijk.

Desalniettemin zijn verschillende snijsimulaties zonder re -bestemmingsplannen uitgevoerd waarbij het gedrag van standaardelementen wordt vergeleken met elementen met een hybride formulering (met behulp van een extra mate van vrijheid voor de druk). Afwijkingen tussen deze twee elementtypen waren meestal lager dan 1% voor lokale hoeveelheden zoals plastische vervorming, MISES -stress of druk. Slechts in één geval, waarbij een element extreem vervormd was (verandering van de binnenhoek groter dan 60 ° in een niet-afschuivingsmodus), vond een verschil van ongeveer 10% plaats in het element; Wereldwijde hoeveelheden zoals snijkrachten werden minder beïnvloed. Een simulatie met remeshing, die een dergelijk element zou vervangen door een beter gevormde, zou nog nauwkeuriger zijn. De reden voor het goede gedrag van de standaardelementen is waarschijnlijk het feit dat frequent remeshing en een goed ontworpen gaas met hoge dichtheid die de schuifbeweging in de afschuifzone kan herbergen, de standaardelementen redelijk goed kunnen weergeven.

Om de afwezigheid van afschuifvergrendeling verder te controleren, werd een vergelijking met een simulatie met elementen met verminderde integratie vergeleken met één met de de de Scribed volledig geïntegreerde elementen. Helaas is het in Abaqus niet mogelijk om verminderde integratie -elementen te gebruiken met een temperatuurberekening. Desalniettemin worden door het gebruik van een plastic stroomcurve met verzachting van de spanning, zoals de geschreven in paragraaf 4.1, gesegmenteerde chips in een dergelijke simulatie gevormd, zodat het vervormingsgedrag van het model kan worden gecontroleerd. Door volledig geïntegreerde en verminderde elementen te vergelijken, wordt gevonden dat het totale DE -vormingspatroon vergelijkbaar is, maar de segmentatie is sterker met behulp van de volledig geïntegreerde elementen. Dit is te verwachten, omdat deze elementen meer integratiepunten hebben, zijn dus beter geschikt om hoge gradiënten op te lossen tijdens een remeshing -proces. Als afschuifvergrendeling aanwezig zou zijn, zou dit echter niet het geval zijn.

Bovendien is het effect van de gaasdichtheid ook bestudeerd, met behulp van een materiaalwet zonder stam zachte ening, zodat de breedte van een afschuifband niet wordt afgescheurd door de elementgrootte. (Deze simulatie zal elders in meer detail worden beschreven [6].) Het vergelijken van twee berekeningen met 48 en 64 elementen in de richting van de chipdikte leidt tot bijna identieke chips, terwijl het verschil in de snijkracht <5%is. Ten slotte is ook een com -parison met een eenvoudig expliciet model zonder remeshing en met verminderde integratie -elementen gedaan. Het expliciete model toont een kleinere mate van chipsegmentatie en snijkrachten ongeveer 10% groter dan in het impliciete model.

Keuze van eerste gaas

Hoewel de mesh -berekening zelf vrij effectief is met het hierboven beschreven algoritme, is het nog steeds een enigszins duur proces, vooral omdat alle materiaalgegevens moeten worden geïnterpoleerd naar de integratiepunten van het nieuwe gaas.

De onderstaande remeshing moet dus zo zelden mogelijk worden gedaan.

De behoefte aan frequente remes kan worden verminderd als de elementen in het gaas niet te snel vervormen in de loop van de simulatie. Dit kan worden bereikt door het mesh zo te ondertekenen dat de vorm van de elementen in de afschuifzone de neiging heeft om meer te worden in plaats van minder regelmatig. Fig. 3 (links) laat zien hoe de gaaslijnen in het gebied van een vervormde chip moeten liggen. Om elementen met deze vorm tijdens de simulatie te krijgen, moet het gaas op het niet -vervormde materiaal worden vervormd. De ‘‘ back-mapping ’van de vervormde naar de niet-vervormde structuur wordt heuristisch gedaan: ervan uitgaande dat de chipdikte vergelijkbaar is met de snijdiepte, zal een gaas zoals getoond in figuur 3 (rechts) de gewenste eigenschappen hebben. De verdeling van de omtrek van het chipgebied in vier delen is zodanig gedaan dat de vier delen ten minste ongeveer overeenkomen met de vier oppervlaktegebieden van de reeds gevormde chip. Als er geen sterke chipverlenging of verkorting optreedt, kan de positie van de vier lijnen eenvoudig worden berekend uit de snij diepte.

Deze meshing -methode resulteert in een klein aantal kromgetrokken elementen. Deze liggen echter meestal in een gebied waar geen sterke gradiënten van vervorming en spanningen optreden en hebben dus geen invloed op het totale resultaat op een negatieve manier.

Sommige simulaties zijn uitgevoerd met een model gebaseerd op dit zelfversterkende gaas zonder dat er tijdens de simulatie wordt geremeshing. Voor de simulatie van het volledige probleem, inclusief chip -segmentatie, is Remeshing verplicht.

Fig. 3. Ontwerp van initiële gaas met elementen van verbeterende vorm. Eerst is een gaas voor de vervormde chip ontworpen.

Door rugberekening uit deze vorm wordt een initiële mesh -vorm bereikt waar de elementvorm zal verbeteren bij de vervorming.

De chipdikte bepaalt het eindpunt van het bovenoppervlak.

Remes

De gebruikte remeshingtechniek is vergelijkbaar met de zogenaamde willekeurige Langrangian -Euleriaanse methode beschreven in [4]. Tijdens de simulatie wordt een remesing gedaan als convergentieproblemen als gevolg van sterk vervormde elementen optreden of als het gereedschap is gevorderd met een bepaalde vooraf gedefinieerde afstand. De omtrek van het materiaalgebied wordt vervolgens opgeslagen en een nieuw gaas wordt berekend in deze regio, die topologisch gelijkwaardig is aan het oude gaas maar regelmatiger. Deze berekening wordt gedaan met behulp van het algoritme beschreven in paragraaf 3.1. Daarna worden de oude oplossingsgegevens (lokale materiaalparameters zoals plastic stammen, temperaturen, enz.) Geïnterpoleerd op het nieuwe gaas. Deze laatste stap kan automatisch worden uitgevoerd door Abaqus.

Het onderliggende remeshing -algoritme verloopt in twee stappen [2]. In de eerste stap worden waarden van alle oplossingsvariabelen verkregen op de knooppunten van het oude gaas door extrapolatie van deze waarden uit de integratiepunten en gemiddeld over alle elementen naast elk knooppunt. In een tweede stap zijn de integratiepunten van het nieuwe gaas gelokaliseerd en de variabelen geïnterpoleerd van de knooppunten in het oude gaas naar de integratiepunten in het nieuwe gaas. Sommige discontinuïteit kan worden verwacht in de variabelen vanwege deze techniek, en de uitgevoerde gemiddelde kan leiden tot een lichte verzwakking van sterke gradiënten in de oplossing. Daarom is een fijne meshing in de afschuifzone verplicht. In de hieronder getoonde simulaties werd zorgvuldig gecontroleerd dat sterke gradiënten slechts licht werden verzwakt tijdens een remeshing -stap, d.w.z. contourplots van hoeveelheden zoals de plastische vervorming waren bijna niet te onderscheiden en de breedte van de afschuifzone nam slechts iets toe.

Een detail van een gaas voor en na een remeshingstap werd getoond in figuur 2; Daar werd de gaasdichtheid tijdens het remeshing gekreukt. Fig. 4 toont een ander voorbeeld voor het geval van een continue chip met een lagere gaasdichtheid. Het is duidelijk te zien hoe vervormde elementen worden vervangen door meer regelmatige gevormde.

Een speciale moeilijke culty ontstaat bij het versnellen van het gereedschap van de contactoppervlakken - werkstuk en gereedschap - Chip: het contactalgoritme van Abaqus/Standard kan niet convergeren als de knooppunt positioneert op het nieuw geremisseerde oppervlak, zelfs iets van de oude waarden [1]. Er moet speciale zorg worden besteed om ervoor te zorgen dat de nieuwe en oude knooppunten op de contactoppervlakken precies samenvallen, zoals te zien, b.v. Van Fig. 4.

Fig. 4.Detail van het chipgebied voor en na het verzenden voor een continue chip met lage gaasdichtheid.

Het nieuwe gaas is regelmatiger, vooral in de afschuifzone waar hoge gradiënten aanwezig zijn

Behoefte aan verfijning

Er is al gezegd dat een zeer fijn gaas in de afschuifzone vereist is om de optredende stress en spanningsgradiënten op te lossen. Elementen met een randlengte van de volgorde van 1 lm zijn nodig. Het gebruik van elementen van deze grootte in het hele gaas zou het gebruik van meer dan 100.000 elementen vereisen, wat erg hoog is omdat de berekening op een standaard werkstation moet worden uitgevoerd en enkele honderden of zelfs duizenden tijdstappen nodig heeft om een ​​chip te vormen.

Aangezien het remes sowieso wordt gedaan tijdens de simulatie om goed gevormde elementen te garanderen, kan deze remeshing ook worden gebruikt om een ​​mesh-verfijningszone in de afschuifzone te maken. De afschuifzone beweegt door het materiaal, dus de verfijningszone moet zijn plaats dienovereenkomstig veranderen.

Twee technieken voor verfijningen worden veel gebruikt: de eerste is een geometrische verfijning met behulp van trapeziumvormige elementen (op een vierkant gaas) om de fijner te matchen met het grovere mesh -gebied (zie Fig. 5 (a)). Deze benadering heeft het voordeel dat de hoeken binnen de trapeziumvormige elementen slechts de helft van die van de onderliggende vierkanten zijn. Als een mapping op een vervormd gebied wordt gedaan, zodat elementhoeken kleiner zijn dan 90 °, kan deze methode leiden tot zeer kleine binnenhoeken van de trapeziumvormige elementen.

De alternatieve benadering is om het gaas direct te verfijnen, zoals getoond in Fig. 5 (b). Dit gaas schendt de voorwaarde dat er geen vrije knooppunten binnen een gaas moeten plaatsvinden. Om dit te omzeilen, worden de vrijheidsgraden van de schijnbaar vrije knooppunten berekend door lineaire interpolatie van de aangrenzende knooppunten. Deze methode wordt aanbevolen in [1] en wordt gebruikt voor deze simulatie.

Met deze verfijningstechniek kan een sterke verfijning van de gaas in de afschuifzone gemakkelijk worden gemaakt. Fig. 6 toont een dergelijk gaas voor een continu snijproces met elementrandlengtes binnen de afschuifzone acht keer

Fig. 6. Overzicht van het volledige eindige -elementmodel met een sterke verfijning in de afschuifzone.

Het uiteinde van de chip kan grof worden geworden dan de afschuifzone, als geen plastische vervorming

zal daar voorkomen. Zie Fig. 11 voor het ineenstappen van een gesegmenteerde chip.

Kleiner dan die ver weg ervan. Deze methode beschouwt het aantal elementen met een factor tien of meer en leidt dus tot een enorme besparing van computertijd. Voor grote plastische vervorming kan deze strategie voor het verfijnen van de gaas leiden tot vergrendeling van de elementen. Omdat de zone van de verfijning altijd werd gekozen om ver weg te zijn van de afschuifzone, waar geen plastische vervorming optreedt,

is niet problematisch voor deze simulatie.

Modelleringsmateriaalscheiding

Een belangrijk aspect van simulaties van metaalknippen is de juiste modellering van de materiaalscheiding voor het gereedschap. Mogelijke benaderingen zijn ofwel om een ​​scheidingslijn vooraf te definiëren en vervolgens de knooppunten op deze lijn te scheiden wanneer een bepaald criterium wordt bereikt of om een ​​meer flexibele aanpak te gebruiken waarbij de scheidingslijn wordt bepaald door een fysiek criterium, dat een kritisch stresscriterium kan gebruiken of een schademodel om de scheiding te bepalen. Deze laatste benadering, hoewel dichter bij de fysieke realiteit, heeft het nadeel dat het ingewikkelder is om een ​​correct materiaalscheidingscriterium te kiezen. Vooral in het highspeed -regime zijn betrouwbare criteria niet bekend. Een derde benadering is ook mogelijk: er kan geen echte materiaalscheiding worden gedaan en het bewerkingsproces wordt beschouwd als een puur vervormingsproces, vergelijkbaar met smeden. Voor deze simulatie zijn twee modellen gebruikt om de invloed van scheidingscriteria op de resultaten te controleren.