三维螺线超声振动磨削硬脆材料的热力耦合作用机理SPH仿真研究.pdf

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1、三维螺线超声振动磨削硬脆材料的热力耦合作用机理SPH仿真研究田梦2015年12月中图分类号：TG501UDC分类号：621.7三维螺线超声振动磨削硬脆材料的热力耦合作用机理SPH仿真研究作者姓名田梦学院名称机械与车辆学院指导教师梁志强副教授答辩委员会主席王西彬教授申请学位工学硕士学科专业机械工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年12月Thermal-MechanicalCouplingSimulationResearchinThreeDimensionalSpiralUltrasonicVibrationAssistedGrindingofHardandBrittleMa

2、terialsbyUsingSPHMethodCandidateName：TianMengSchoolorDepartment:SchoolofMechanicalEngineeringFacultyMentor:Aso/Prof.LiangZhiqiangChair,ThesisCommittee：Prof.WangXibinDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor:MechanicalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：Dec.,2015研究成果声明本

3、人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要在机械制造、化工、航空等高科技领域，硬脆材料(光学玻璃和工程陶瓷等)逐渐得到较大范围应用。对于硬脆材料，磨削是现在普遍应用的一种加工方法，但在加工过程中会产生大量的磨削热、磨削力，降低了工件的表面质量和使用性

4、能。三维螺线超声振动精密磨削技术的出现在降低磨削力、磨削热等方面表现出了很大的优势。但针对其进行的磨削机理研究还比较少，通常采取实验手段，而实验成本高，条件要求复杂，且无法准确的观察切屑的形成过程、工件的应力应变分布、裂纹产生及扩展等情况。所以，目前已有学者利用有限元仿真的方法对磨削机理进行研究。其中，光滑粒子流体动力学（SPH:SmoothedParticleHydrodynamics）法是一种纯Lagrange无网格算法，能够很好的解决了传统有限元方法因网格划分法而引起大变形畸变而最终导致计算终止这个难题，在模拟仿真磨削过程时具有无法比拟的优势。因此，本研究综合运用几何运动学、金

5、属切削理论、材料断裂理力学以及数值计算等学科知识，利用理论分析与数值仿真相结合的方法，对三维螺线超声振动磨削(3DSUAG)机理展开深入研究。揭示了被加工材料在磨粒冲击过程中的裂纹产生及扩展情况、应变应力分布、磨削力、磨削温度及热力耦合过程的变化规律等，为三维螺线超声振动磨削技术的推广应用提供了理论基础。本文开展的主要研究内如下：1.研究了基于硬脆性材料Johnson-Holmquis-Ceramics本构模型的SPH建模方法，并利用非线性动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA，实现了分别对单颗磨粒划擦和冲击陶瓷工件过程的模拟仿真，证明了SPH法在单颗磨粒磨削中应用的合理性及优势。

6、2.基于SPH法对单颗磨粒冲击陶瓷工件的过程进行仿真研究。观察Al2O3陶瓷工件的仿真结果，在压头压入一定深度后工件开始出现侧向裂纹及径向裂纹，且裂纹产生时压头压入工件的临界深度和扩展速度均与冲击速度有关。压头冲击SiC陶瓷一定深度后，工件出现中位裂纹及径向裂纹。通过对比分析，在进行磨削加工时SiC陶瓷比Al2O3陶瓷更易产生径向裂纹，增大工件损伤。此外，通过观察工件温度场分布，相同的压入深度下冲击速度越大，接触区温度也越大，SiC陶瓷的最高温度和分布范围均远大于Al2O3陶瓷。3.建立普通磨削(CG)、三维螺线超声磨削(3DSUAG)、轴向磨削(AUAG)及径向磨削(VUAG)过程

7、中单颗磨粒相对于工件表面的运动轨迹方程。利用SPH法仿真单颗磨粒普通磨削与三维螺线超声磨削工件的过程，揭示了三维螺线磨削在降低磨削力和I北京理工大学硕士学位论文提高材料去除率方面比普通磨削有着明显优势。通过对Al2O3和SiC两种陶瓷工件的磨削仿真结果进行对比分析时发现：磨粒划擦SiC陶瓷工件后微断裂较多，且应力明显大于Al2O3陶瓷，说明Al2O3陶瓷比SiC陶瓷有更好的加工性能。4.建立了三维螺线超声磨削的温度场分布模型，并对Al2O3陶瓷、SiC陶瓷