案例教学 | ALE切削仿真全过程剖析 step by step

一、创建部件

在ABAQUS/CAE顶部的环境栏中，可以看到模块列表：Module：Part，这表示当前处在Part（部件）模块，在这个模块中可以定义模型各部分的几何形体。下面步骤创建Workpiece及Tool的几何模型。

1、workpiece

① 单击左侧工具区中的（Create Part）按钮，或者在主菜单里面选择Part--Create，弹出如图2所示的Create Part对话框。

② 在Name（部件名称）后面输入Workpiece，Modeling Space（模型所在空间）设为2DPlanar，Shape选择Shell（实体），在Approximate size里面输入0.01。单击Continue按钮。

③ 进入绘图环境，选择绘图工具箱中的工具，窗口提示区显示Pick a starting corner for the rectangle--or enter X,Y（选择矩形的起点——或者输入X,Y），（-0.005，0.002），回车，继续输入坐标为（0，-0.002），回车，选择矩形截面绘制完成。点击Done，退出绘图环境。如图所示。

二维工件

2、tool

单击左侧工具区中的（Create Part）按钮，或者在主菜单里面选择Part--Create，弹出如图2所示的Create Part对话框。

在Name（部件名称）后面输入Tool，Modeling Space（模型所在空间）设为2DPlanar，Type采用默认的Analytical rigid（解析刚体），在Approximate size里面输入0.01。单击Continue按钮。

进入绘图环境，选择绘图工具箱中的lines工具，窗口提示区显示Pick a starting piont for the line--or enter X,Y选择圆的中心点——或者输入X,Y，输入起始坐标（0,0），回车，Pick an end piont for the line--or enter X,Y选择终止点——或者输入X,Y，在绘图环境绘制出刀具形状，尺寸适中即可，确认，如下图所示；选择绘图工具箱中的Create Construction：Oblique Line Thru 2 Points（通过两点来创建结构线条）工具，在X轴Y轴创建结构线；选择绘图工具箱中的Add Constraint（添加约束），在对话框中选择Fixed，选择原点及创建的X、Y轴的结构线；在选择绘图工具箱中的Add Dimension，对尺寸进行约束，刀具的直线高度、宽度为0.0035，刀具前角为5°，后角为10°，如下图所示；

在选择绘图工具箱中的倒圆角工具，窗口提示区显示Fillet radius：0.0001；确认为钝圆半径。点击图中所示的边，将其倒圆角。如图3所示。然后单击OK按钮，视图区就出现了刀具。

二、创建材料和截面属性

1、创建材料

在窗口左上角Module（模块）列表中选择Property（特性）功能模块，按照以下步骤来定义材料。本实例中以“m”为基准的单位制。

单击工具区左侧的（Create Material）按钮，或者在主菜单中选择Material--Create，弹出Edit Material对话框（也可以双击左侧模型树中的Material来完成此操作），将Name改为“Steel”，单击此对话框中的General--Density(密度)、Mechanical（力学特性）--Elasticity--Elastic//Plastic--Johnson-Cook//Damage for Ductile Metals--Johnson Cook Damage。如图所示。

2、创建截面属性

单击左侧工具区的（Create Section）按钮，或者在主菜单中选择Section--Create，弹出Create Section对话框（也可以双击左侧模型树中的Section来完成此操作），Name改为Workpiece；保持其他默认参数不变，单击Continue...按钮。“Material”：Steel。如图，点击OK。

3、给部件赋予截面属性

单击左侧工具区中的（Assign Section）按钮，或者在主菜单中选择Assign--Section。单击视图区中的Workpiece，ABAQUS/CAE以红色高亮显示被选中，在视图区单击鼠标中键，弹出Edit Section Assignment对话框，如图所示，单击OK。

材料属性赋予完成，要注意对每一种材料以及集 合进行修改名称，以助于后续的区分修改。

三、装配件定义

1、整个分析模型是一个装配件，前面的Part功能模型中创建的各个部件将在Assembly功能模块中装配起来。

2、具体的操作方式：在窗口左上角Module列表中选择Assembly（装配）功能模块。单击左侧工具区的（Instance Part）按钮，或者在主菜单中选择Instance--Create（也可以直接单击左侧模型树中的Assembly左侧的 号，然后双击其下一层的Instance来完成此项操作）。

3、在弹出的Create Instance对话框中，按住Shift，选择Tool及Workpiece。默认参数为Instance Type：Dependent（mesh on part），单击OK按钮，窗口中出现两个模型，如图。长按即可选择，点击选择A1为基准点，以A1点为基准建立坐标点A2（0,-0.0003,0）。

4、初步导入后，点击Translate Instance(平移)，选择Tool。窗口下方提示区输入或点击起点坐标默认A3（0,0,0），确认，点击终点A2，确认。装配完成。

5、在窗口左上角的Module列表中选择Mesh功能模块。利用平移，以A1、B1点为基准建立坐标点，分别建立A3、B3，平移坐标分别为A3（0，-0.001，0），B3（0，-0.001，0）；分别以A3、B3为基准坐标，平移坐标为A4（0，-0.001，0），B4（0，-0.001，0）。利用连接两点的线分割，分别连接A3和B3、A4和B4。完成对工件的区域划分。

四、设置分析步

1、ABAQUS/CAE会自动创建一个初始分析步（Initial step），可以在其中施加边界条件，用户必须自己创建后续分析步（analysis step），用来施加载荷。具体操作方法如下。

2、在窗口左上角的Module列表中选择Step（分析步）功能模块。单击左侧工具区的按钮（Create Step）按钮，或者在主菜单中选择Step--Create（也可以直接单击左侧模型树中的Steps来完成此项操作）。

3、在弹出的Create Step对话框中，在Name后面输入分析步的名称：cutting。（Procedure type：General；选择Dynamic，Explict），单击Continue按钮。在弹出的Edit Step对话框中，Time period：0.025，其余参数都保持默认值，单击OK按钮，完成操作。其余分析步设置如图

4、在窗口左侧的工具栏中的Field Output Requests Manager场变量管理器。对cutting分析步的场变量输出进行编辑。勾选STATUS，Status（some failure and plasticity models；VUMAT）。

5、点击窗口上方菜单栏Other--ALE Adaptive Mesh Domain--Edit cutting。选择Use the ALE adaptive mesh domain below，勾选ALE Adaptive Mesh Controls自适应网格划分控住，点击后方 号，编辑控制方法，保持默认即可。点击Region：后方的箭头选择工件的上部区域。点击OK。

五、创建部件

在窗口左上角的Module列表中选择Interaction（相互作用设置）功能模块，定义部件间的接触关系。

进行接触设置，创建接触关系（Create Interaction Property）；Type：Contact，点击Continue...按钮。选择Mechanical--Tangential Behavior（切向接触条件），Tangential Behavior--Friction formulation：Penalty，Friction Coeff：0.3其余所有设置保持默认，点击OK。

点击窗后上方菜单栏中Tools--Reference Point，在Tool建立的RP（Reference Point）。

点击工具区左侧（Create Constraint）创建约束物体关系，选择Rigid Body方程式约束，点击Continue。选择Analytical Surface--点击箭头--选择Tool，选择外部颜色，即为黄色，Point选择在Tool建立的RP（Reference Point）

进行接触设置，创建接触（Create Interaction）。

Name：Int-1；Step：cutting；Types for Selected Step :Surface-to-Surface contact（Explict）。点击Continue...按钮。点击Tool，即选择主面为Tool靠近试样表层的下表面，选择为黄色，确认；第二选择面类型为Node Region，选择工件上部区域；点击OK。弹出编辑接触对话框，默认设置。

六、定义边界条件和载荷

在窗口左上角的Module列表中选择Load（载荷）功能模块，定义边界条件和载荷。

单击工具区左侧的（Create Boundary Condition）按钮，或者在主菜单中选择BC--Create（也可以直接单击左侧模型树中的BCs来完成此操作）。

在弹出的Create Boundary Condition对话框中；BC-1；Step：Initial；Types for Selected Step：Symmetry/Antisymmetry/Encastre。

按住Shift选择Workpiece的左侧、下方边线在Edit Boundary Condition 中选择ENCASTRE（U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0）在单击OK按钮。

单击工具区左侧的（Create Boundary Condition）按钮，或者在主菜单中选择BC--Create（也可以直接单击左侧模型树中的BCs来完成此操作）。在弹出的Create Boundary Condition对话框中；BC-2；Step：Initial；Types for Selected Step：Displacement/Rotation。选择Tool的RP，选择所有方向自由度，单击OK按钮。

点击打开Boundary Condition Manager，点击BC-2--cutting--Propagated，点击Edit，将U1取消勾选。BC-2--Step-1的Propagated变成Modified。

单击工具区左侧的（Create Boundary Condition）按钮，或者在主菜单中选择BC--Create（也可以直接单击左侧模型树中的BCs来完成此操作）。在弹出的Create Boundary Condition对话框中；BC-3；Step：cutting；Types for Selected Step：Velocity/Angular velocity。选择Tool的RP，选择X方向速度V1：-0.25，同时点击创建幅值(Tabular)线Amp-1，选择Amp-1，单击OK按钮。

七、网格划分

在窗口的左上角的Module列表中选择Mesh功能模块。

边上布种；点击按钮，选择上部区域矩形的边，进行统一布种，中键确认，选取数量布种By size，布种element size：0.00005，如图。

设置网格控制参数；在主菜单中选择Mesh--Controls命令，或单击左侧工具区的（Assign Mesh Controls）按钮，选取矩形区域。弹出Mesh Controls（网格控制参数）对话框，单击OK按钮。

点设置单元类型；单击左侧工具区的（Assign Element Type）按钮，或者在主菜单中选择Mesh--Element Type，选取整个Pad模型，弹出Element Type对话框，Element Library：Explicit；Family：Plane Strain；Hourglass control：点选Enhanced；Element deletion：选择Yes，其余保持默认即可。击按钮，中间确认，对模型进行网格划分，图所示。

八、提交分析作业

在窗口的左上角的Module列表中选择Job（分析作业）功能模块。

创建分析作业；单击左侧工具区的（Job Manager）按钮，或者在主菜单中选择Job--Manager，弹出Job Manager对话框，单击Create...（创建新的作业）按钮，在Name后面输入cutting，单击Continue...按钮，弹出Edit Job对话框，各参数保持默认值，单击OK按钮。

提交分析；在Job Manager对话框中单击Data Check（数据检查），Check Submit--Check Running--Check Completed。数据检查完成，Monitor（监视器）可以检测工作进度、错误、警告。 Submit（提交分析）按钮，看到对话框中的Status（状态）提示依次变为Submitted，Running和Completed，这表明对模型的分析已经完成。单击此对话框中的Results（分析结果）按钮，自动进入Visualization模块。

九、后处理

看到窗口左上角的Module列表已经自动变成Visualization功能模块，在视图区显示出模型未变形时的轮廓图。

单击左侧工具区中的（Plot Contours on Deformed Shape）按钮，或者在主菜单中选择Plot--Contours，显示出 Mises应力的云纹图，如图所示。

点击此区域可以对动画播放进行播放和设置，点击可以对动画进行详细设置。

点击左侧工具区中的（Creat XY Data）按钮，选择ODB field output，点击Continue，弹出XY Data form ODB Field Output对话框，在Output Variables--Position：Unique Nodal。在下方对话框里选择RF--勾选RF1；勾选RF2；选择Element/Nodes，点击Edit Selection，选择视图窗口的RP参考点；点击XY Data form ODB Field Output对话框下方的Plot按钮。

点击左侧工具区中的（Creat XY Data）按钮，选择Operate on XY data，双击-RF：RF1 PI：TOOL…；在Operate on XY data上方窗口输入“-RF:RF-1 PI:TOOL-1 N:1”*-1。点击Plot Expression。视图窗口即出现X方向力与时间的曲线图。

单击左侧工具区中的（Plot Contours on Deformed Shape）按钮，显示出 Mises应力的云纹图，视图窗口右上方的按键可以按帧数调节动画的显示。

作者：领航科工，北京领航科工教育科技有限公司，该公司是国内唯一家以切削仿真为核心技术的国家高新技术企业。团队成员皆来自于清华大学机械工程学院，自2016年1月成立以来，致力于搭建科工产学研平台为航空制造企业、刀具企业以及高等院校提供应用、科研以及教学等服务，并于同年入驻清华大学科技园。

致谢：北京领航科工教育有限公司对仿真秀平台的支持，期待未来我们携手为仿真秀平台用户带来更多切削有关的优质内容，推荐大家关注科工仿真产学研平台。

声明：原创文章，首发科工仿真产学研平台，部分图片源自网络，如有不当请联系我们，欢迎分享，禁止私自转载，转载请联系作者。