Abaqus三维切削案例教学 原创

1、 引言

本教学聚焦于金属切削加工领域，通过 Abaqus 有限元分析软件开展三维切削过程仿真建模实践教学。课程以典型切削工况为对象，系统讲解从几何建模、材料定义、网格划分到载荷施加及结果分析的全流程操作，旨在使学员掌握：

• 三维切削模型的简化与参数化建模方法

• 切削过程中材料本构关系与失效准则的工程应用

• 网格自适应技术在大变形切削仿真中的优化策略

• 切削力、温度场及切屑形态等关键物理量的提取与分析方法

2、 几何模型与材料参数

（1） 模型构建：

本教学中涉及的部件模型均通过 SolidWorks 软件完成建模并导入分析环境。鉴于课程核心聚焦于方法讲解，因此不再展开阐述部件建模的具体操作环节，重点围绕导入后的仿真分析流程进行详细拆解与演示。

图1刀具部件

图2 椭球型金属构件

（2） 材料属性：

定义金属材料和刀具的热物理参数（如导热系数、比热容、热膨胀系数）与力学参数（如弹性模量、泊松比），考虑材料属性随温度的非线性变化。

图3 金属属性构建

6、 计算结果与分析

（1） 温度场分布特征

1． 云图可视化：通过后处理软件呈现不同时刻的温度场云图。典型结果显示，在切削区域（如剪切面和前刀面附近）会出现局部高温峰值，温度梯度较大；随着切削的进行，热扩散会使高温区域逐渐扩大，在稳定切削阶段形成相对稳定的温度分布。

2． 数据提取：提取特征点（如切削刃附近、工件表面）的温度 - 时间曲线，分析升温速率与峰值温度随切削速度、进给量等参数的变化规律。

图15 温度云图可视化

（2） 应力场响应规律

1． 热应力机制：温度梯度会引发热膨胀失配，从而在工件和刀具内部产生热应力。在切削区域，由于温度较高，材料可能会产生塑性变形，进而导致应力重新分布。瞬态过程中，应力可能会出现波动，需要关注应力峰值位置以及可能产生的疲劳损伤风险。

2． 结果展示：通过应力云图识别高应力区域（如切削刃、刀具后刀面与工件接触处），提取主应力、等效应力（如 von Mises 应力）分布，评估材料的失效风险（如刀具磨损、工件表面裂纹）。

图16 应力云图可视化

（3） 参数敏感性分析

对比不同切削速度、进给量、切削深度下的温度场与应力场差异，总结关键参数对结果的影响规律。例如，切削速度的提高会显著增加温度和应力水平，而进给量的增加对应力的影响更为明显。这些结果可为切削工艺参数的优化提供参考，以降低切削过程中的热损伤和提高加工质量。

7、 结论与拓展应用

（1） 结论：温度 - 位移耦合分析能够有效地揭示切削过程中工件和刀具的多物理场行为，温度场的时空分布直接影响着应力场的演化特征。高应力和高温区域容易导致刀具磨损和工件表面质量下降，因此需要通过优化切削工艺参数（如降低切削速度、增加进给量）、改善冷却条件等措施来降低损伤风险。

（2） 拓展：本方法可扩展至其他切削加工场景（如铣削、磨削、镗削）或材料类型（如铝合金、钛合金、复合材料），通过调整热源模型、刀具几何参数和边界条件，实现跨领域应用。同时，该方法还可与其他分析方法（如模态分析、疲劳分析）相结合，进一步研究切削过程中的动态特性和疲劳寿命。

8、 附件：本案例中的abaqus模型文件（包括cae、odb和inp文件）