文档介绍：华中科技大学
硕士学位论文
金属本构数值建模和切削仿真加工参数优化
姓名:万修龙
申请学位级别:硕士
专业:机械工程
指导教师:闫蓉
2011-05-25
华中科技大学硕士学位论文

摘要
随着计算机技术迅速发展,有限元技术在金属切削领域得到广泛应用,有限元
切削仿真软件也应运而生。现有的商用有限元切削仿真软件中提供的材料库、材料
失效准则可以针对一些常用的材料进行准确的仿真计算,然而却无法应用于新的加
工材料和加工工艺的切削仿真,带来了有限元仿真软件工程应用的局限性,本文深
入研究金属切削的材料变形机理,构造材料本构模型,研究切削仿真有限元二次开
发技术,并提出了采用金属切削仿真技术进行加工参数优化的一整套行之有效的方
案。
基于有限元和材料弹塑性力学、断裂力学等理论,使用 Fortran 语言开发了有限
元软件 ABAQUS 材料 Vumat 子程序,在金属切削仿真计算中准确地重构了常用的材
料 Johnson-Cook 本构模型和 Johnson-Cook 失效准则,通过与 ABAQUS 本身自带的
Johnson-Cook 本构模型在材料拉伸模拟中的对比,验证了子程序在表征材料
Johnson-Cook 本构模型的准确性。
分别采用 ABAUQS 和 AdvantEdge FEM 有限元软件,分别对铝合金 Al6061 加
工进行了二维正交切削仿真模拟,其中 ABAQUS 仿真中使用了二次开发的 Vumat
子程序。设计仿真对比方案,计算得到切削力、切削温度和 Mises 应力以及切屑形
态,采用两种软件的仿真结果的对比验证了二次开发的 Vumat 子程序在切削仿真中
应用的可行性。
对上汽通用五菱发动机工厂发动机曲轴孔精镗加工进行了切削仿真与试验,通过
设置不同的加工参数进行仿真对比,选择最优的加工参数。发动机工厂采用优化后
的加工参数进行试验,试验结果表明采用优化后的工艺参数,刀具磨损减小,加工
中出现毛刺、崩边等问题次数减少,加工效率提高 7%。

关键词: 切削仿真有限元本构方程加工参数
I
华中科技大学硕士学位论文

Abstract
Due to rapid developments of technology puter, finite-element analysis has
been utilized widely in domain of metal-cutting. Related software which was designed
based on the simulation of metal-cutting has emerged in decades. mercial
software is able to mon materials precisely resulting in the mature study on
these material models. However many limitations of finite-element analysis software have
been realized in the actual engineering issues resulting in lacking of the specific material
models, especially some characteristics of new materials can be hardly obtained in these
commercial software. This thesis represents further researches on the mechanism of the
metal chip deformation, structure the material constitutive model and secondary
development technology of finite-element simulation in cutting process. Series valid
strategies of optimizing the cutting parameters are proposed.
A subprogram of ABAQUS, which is also called Vumat, has been developed by
FORTRAN based on the finite-element theory, plastoelastici