顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料跨尺度切削仿真中的若干問(wèn)題經(jīng)典剖析

跨尺度切削仿真問(wèn)題是非常典型的問(wèn)題,尤其對(duì)于復(fù)合材料的跨尺度仿真更是非常棘手的問(wèn)題,今天我們就來(lái)分析一下顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料切削仿真中的若干問(wèn)題,刀具、基體、顆粒、界面之間的尺寸如圖所示:

其中刀尖部位的單元尺寸為500微米,顆粒單元尺寸為0.5微米,基體單元尺寸為150微米,界面厚度為0.05微米,界面單元尺寸為0.0125微米,可以看出各個(gè)部分的尺寸差距很大,因此屬于典型的跨尺度仿真。在這類(lèi)仿真中,由于跨尺度差距引起的一系列問(wèn)題會(huì)對(duì)切削仿真的精度、穩(wěn)定性和效率帶來(lái)很大的影響,具體問(wèn)題如下。

一、單位制

ABAQUS中沒(méi)有固定的單位制,因此我們?cè)谧銮邢鞣抡鏁r(shí)要為各個(gè)幾何及物理量匹配相應(yīng)的單位,使得最終計(jì)算結(jié)果的單位與所采用的單位制相對(duì)應(yīng)。

而如上所述的顆粒復(fù)合材料中如果采用毫米為單位,那么界面單元的尺寸就將達(dá)到1.25e-5毫米,而切削仿真的每一個(gè)增量步的有限元解中通常包含多種誤差(例如計(jì)算機(jī)的截?cái)嗾`差和舍入誤差),這樣經(jīng)過(guò)多次迭代勢(shì)必會(huì)使這些誤差程幾何級(jí)數(shù)增加從而影響求解精度,因此在本軟文中采用的是微米單位制以降低由于各種誤差所帶來(lái)的影響。

二、穩(wěn)定性

顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的切削仿真中,如果考慮切削溫度,那么就要設(shè)置刀具和工件以及復(fù)合材料各部分間的熱傳導(dǎo)系數(shù)(conductance)和熱傳導(dǎo)間隙(clearance),如圖所示:

如果clearance設(shè)置的太大,而局部單元(比如界面層單元)又設(shè)置的相對(duì)較小,那么就會(huì)導(dǎo)致刀具和工件上的溫度梯度不明顯,從而不能更好的展現(xiàn)切削溫度,如下兩圖對(duì)比所示:

而如果clearance設(shè)置的太小,當(dāng)遇到較小尺度單元(比如單元長(zhǎng)度為5納米)時(shí),則會(huì)由于數(shù)值計(jì)算的舍入誤差使切削溫度發(fā)生急劇的變化(比如突然間溫度從500度升高到幾萬(wàn)度),這將會(huì)給切削溫度的計(jì)算帶來(lái)極大的不穩(wěn)定性,這在跨尺度模型中的效果尤為明顯。

三、仿真效率

由以上分析可以看出,跨尺度切削仿真中由于復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及刀具幾何尺寸間的尺寸差異很大,而如果我們又想更好的體現(xiàn)切削仿真過(guò)程中各個(gè)部分的切削力和切削溫度的變化過(guò)程,因此我們就有必要針對(duì)不同部位進(jìn)行尺度的網(wǎng)格剖分,比如刀尖部位的單元尺寸為500微米,而界面單元尺寸就只有0.0125微米,這顯然會(huì)增加單元的數(shù)量從而降低仿真效率。雖然我們可以通過(guò)質(zhì)量縮放等方法在提高仿真效率,但是這樣也會(huì)給仿真過(guò)程帶來(lái)更大的不穩(wěn)定性,因此跨尺度模型切削仿真效率問(wèn)題也是制約切削仿真技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。