張佳

針對(duì)目前使用較多的有限元仿真軟件進(jìn)行了介紹，并分別利用ANSYS與ABAQUS軟件對(duì)車削過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬，基于仿真過(guò)程與模擬結(jié)果，對(duì)兩種軟件進(jìn)行了比較與分析。

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和有限元理論的不斷進(jìn)步，出現(xiàn)了許多功能強(qiáng)大的有限元軟件，目前通用有限元軟件使用較多的有ANSYS、MSC，專用軟件有ABAQUS、LS-DYNA、DEFORM 等軟件。這些軟件都有自己的特點(diǎn)，適合解決不同類型的工程問(wèn)題，具體工程問(wèn)題可以選擇針對(duì)性的有限元軟件進(jìn)行分析。

1.有限元軟件介紹

（1）ANSYS軟件是一款使用率較高應(yīng)用廣泛的通用有限元軟件，由于其用戶操作界面簡(jiǎn)便，適應(yīng)性好，可以用來(lái)解決結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁等問(wèn)題；但是由于它適用范圍廣，針對(duì)性不足。在分析切削問(wèn)題時(shí)，材料應(yīng)力應(yīng)變曲線為非線性曲線，而ANSYS求解器仍然使用直線，因此當(dāng)材料達(dá)到應(yīng)力極限后，工件出現(xiàn)損壞斷裂時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)失效的地方，只在損壞的位置標(biāo)記出來(lái)。切屑分離的情況這樣很難模擬出來(lái)。要解決這個(gè)問(wèn)題，需要對(duì)ANSYS軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，使用編程語(yǔ)言，比較耗時(shí)，難度較大。

（2）DEFORM軟件是目前研究領(lǐng)域使用較廣的一款專用商業(yè)軟件，可以分析各種金屬的成形過(guò)程，它的材料庫(kù)種類多達(dá)146種，尤其適合針對(duì)三維模型的仿真模擬。DEFORM可自動(dòng)觸發(fā)重新劃分網(wǎng)格，自動(dòng)生成邊界條件，除了具有較全的材料模型種類外，還可以進(jìn)行自定義，在耦合求解方面也非常方便。但是在處理金屬切削問(wèn)題時(shí)，需要進(jìn)行復(fù)雜的二次開(kāi)發(fā)工作，由于單元運(yùn)動(dòng)消除模型和傳熱系數(shù)失真，預(yù)測(cè)誤差較大，效率低。

（3）ABAQUS軟件是由美國(guó) Hibbitt、Karlsson & Sorensen （HKS）公司所開(kāi)發(fā)的大型非線性基于有限元方法的有限元工程模擬軟件。ABAQUS作為一種通用的模擬工具，能夠分析解決復(fù)雜的固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)問(wèn)題，模擬質(zhì)量擴(kuò)散、熱傳導(dǎo)、各類熱偶問(wèn)題、粘彈性及粘塑性等繁瑣的模型。

在非線性問(wèn)題的分析中，ABAQUS軟件在分析金屬切削問(wèn)題時(shí)，可以自動(dòng)的選擇適合的收斂準(zhǔn)則，在分析的過(guò)程中不斷選擇和調(diào)整載荷增量，增加了分析的準(zhǔn)確性。由于ABAQUS軟件提供了適合的損傷斷裂模型，分離準(zhǔn)則，以及接觸摩擦模型，網(wǎng)格自適應(yīng)劃分等功能，使用ABAQUS的Johnson-Cook斷裂準(zhǔn)則和材料失效準(zhǔn)則，以及庫(kù)侖摩擦模型，ALE自適應(yīng)網(wǎng)格劃分功能，可以有效分析40Cr切削過(guò)程。

2.ANSYS與ABAQUS模擬切削問(wèn)題對(duì)比

在對(duì)40Cr材料進(jìn)行切削仿真模擬中，分別利用ANSYS與ABAQUS進(jìn)行了模擬，比較兩種軟件在模擬過(guò)程中的優(yōu)缺點(diǎn)。

（1）ANSYS與ABAQUS軟件模擬過(guò)程對(duì)比

①操作界面方面，ANSYS分析問(wèn)題的特點(diǎn)是操作頁(yè)面比較簡(jiǎn)潔，GUI語(yǔ)言功能可以快速簡(jiǎn)單的操作軟件，另外二次開(kāi)發(fā)的語(yǔ)言比較豐富，專業(yè)人員可以較好地進(jìn)行針對(duì)性開(kāi)發(fā)。例如研究熱力耦合的問(wèn)題，可以通過(guò)設(shè)置不同的單元類型，將切削變形與熱量變化結(jié)合起來(lái)建立關(guān)系式，更加符合真實(shí)的切削過(guò)程。

②在幾何模型建立方面，ANSYS可以直接繪制圖形，操作比較簡(jiǎn)單，如果需要建立的圖形比較復(fù)雜時(shí)，也可以選擇利用其它軟件繪制后，進(jìn)行圖片導(dǎo)入。該功能與ABAQUS軟件繪制功能相比基本相似，都可以進(jìn)行復(fù)雜多樣的圖形繪制和建立。單元類型中ANSYS與ABAQUS軟件建模中都選擇了二維平面單元進(jìn)行建模。

③在材料模型的建立方面，ANSYS通用的屈服準(zhǔn)則是VONMSIES屈服準(zhǔn)則，在解決40Cr切削模擬中也適用，同樣ABAQUS 軟件模擬仿真時(shí)也選擇了該屈服準(zhǔn)則。另外在ANSYS模擬切削問(wèn)題時(shí)選用的強(qiáng)化準(zhǔn)則是多線性等向強(qiáng)化（MSIO）準(zhǔn)則。由于切削問(wèn)題是大應(yīng)變問(wèn)題，應(yīng)力與應(yīng)變曲線的設(shè)置在大應(yīng)變求解中，輸入和結(jié)果都采用了真實(shí)（或?qū)?shù)）應(yīng)力、應(yīng)變，比較接近真實(shí)應(yīng)力情況。而使用ABAQUS 軟件模擬切削時(shí)使用了Johnson-Cook本構(gòu)方程來(lái)反應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變的情況。

④網(wǎng)格劃分方面，ANSYS網(wǎng)格劃分方法比較多，可以根據(jù)設(shè)置的網(wǎng)格形狀、面積大小自動(dòng)劃分網(wǎng)格，或者設(shè)置各邊的疏密程度來(lái)進(jìn)行劃分。在本文中，選擇了手動(dòng)設(shè)置工件的網(wǎng)格，并且在切屑層部分，網(wǎng)格劃分的較密，方便進(jìn)行有限元計(jì)算。同樣的ABAQUS 軟件中也都包含了類似功能，兩種軟件在網(wǎng)格劃分方面各有特色。

⑤接觸問(wèn)題的設(shè)置方面，ANSYS與ABAQUS一樣有多種接觸類型，在處理切削問(wèn)題時(shí)兩種軟件的選擇是一致的，由于工件的硬度遠(yuǎn)小于刀具，所以接觸類型選擇的是剛體對(duì)柔體的接觸中面面接觸，工件設(shè)為柔體，刀具設(shè)為剛體。

⑥另外在邊界條件和載荷的設(shè)置方面，ANSYS軟件同ABAQUS一樣，限制了刀具的Y方向的運(yùn)動(dòng)以及工件的底部X和Y兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)給刀具施加了一個(gè)初始運(yùn)動(dòng)。

利用ANSYS分析40Cr切削過(guò)程時(shí)，采取了非線性問(wèn)題的求解，求解過(guò)程中激活大變形分析功能，設(shè)置適合的迭代值，進(jìn)行求解。在對(duì)結(jié)果分析中，其結(jié)果提取方式與ABAQUS相似，形式多樣，包括彩色云圖，數(shù)據(jù)列表，動(dòng)畫(huà)演示等。

（2） ANSYS與ABAQUS軟件模擬結(jié)果對(duì)比與分析

使用ANSYS軟件進(jìn)行切削模擬，雖然進(jìn)行了若干種嘗試，但是效果都不好，無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常的切削過(guò)程模擬，最主要問(wèn)題是切屑形成分離問(wèn)題。

在解決切屑分離的過(guò)程中有兩種思路，第一種是利用幾何分離準(zhǔn)則的方法，對(duì)切屑層和工件表面對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相互關(guān)聯(lián)，在刀具切削之前形成一個(gè)完整工件，刀具接近切削位置后，切屑層與工件之間的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)分離，切削后出現(xiàn)切屑分離的效果。

但是在切屑層與工件之間建立合理的關(guān)聯(lián)方程，是比較復(fù)雜的，簡(jiǎn)單的約束方程只能實(shí)現(xiàn)連接這兩個(gè)點(diǎn)，但是不能在刀具接近該位置后，實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的分離。簡(jiǎn)單的關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)的方法不可行，復(fù)雜關(guān)系的方程編寫，需要進(jìn)行二次編程開(kāi)發(fā)該程序，難度較大；

第二種方法是將工件設(shè)為一個(gè)整體，模仿正常切削的模式加載載荷，采用物理分離準(zhǔn)則，根據(jù)物理分離準(zhǔn)則的要求，當(dāng)切削物理值超過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)好的分離標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，切屑形成后離開(kāi)工件，達(dá)到切屑分離的目的，但是該方法在ANSYS中無(wú)法找到收斂的應(yīng)力應(yīng)變值，造成工件雖然發(fā)生了大的變形，仍然無(wú)法形成切屑，反而軟件在計(jì)算過(guò)程中由于計(jì)算量過(guò)大而中途被迫停止，工件不能實(shí)現(xiàn)分離，仍然不能反映真實(shí)的切削情況。提取模擬失敗后的圖形，可以看到變形部位比較大，主要是由于本來(lái)應(yīng)該形成切屑部分的材料未脫離工件造成的。

在利用ANSYS進(jìn)行切削分析時(shí)還有一個(gè)比較難以解決的問(wèn)題，就是熱力耦合的處理方法比較繁瑣，通常使用間接耦合求解的方法，先要對(duì)模型進(jìn)行溫度場(chǎng)的分析經(jīng)過(guò)二次開(kāi)發(fā)程序，計(jì)算出溫度場(chǎng)中的節(jié)點(diǎn)溫度后，需要退出求解器，重新轉(zhuǎn)換模型的單元類型，設(shè)置新的力學(xué)屬性，同時(shí)讀取前一步的計(jì)算結(jié)果，再加載到第二步的應(yīng)力分析過(guò)程中。在分析穩(wěn)定切削耦合問(wèn)題之前還要預(yù)設(shè)好切屑的剪切角度，早期ANSYS版本中可以進(jìn)行平面耦合單元的類型不多，這也造成對(duì)這一類問(wèn)題求解的不準(zhǔn)確性，復(fù)雜性。而在ABAQUS模擬過(guò)程中可以直接對(duì)溫度和應(yīng)力進(jìn)行耦合，求解過(guò)程簡(jiǎn)單，無(wú)需二次編程。

總結(jié)

歸納ANSYS分析過(guò)程失敗的原因，主要是由于ANSYS在靜力分析中比較適合，采用真實(shí)應(yīng)變曲線是不收斂的，求解后的結(jié)果顯示，工件沒(méi)有出現(xiàn)斷裂，模擬結(jié)果不理想。如果想要解決這個(gè)問(wèn)題，還需要通過(guò)改變切削模型本構(gòu)方程，運(yùn)用正確的約束方程等編程語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，過(guò)程較為復(fù)雜。用ABAQUS軟件進(jìn)行分析，能較好解決非線性的切削問(wèn)題，熱力耦合問(wèn)題，不需要進(jìn)行復(fù)雜的二次編程問(wèn)題，而且求解方法比較簡(jiǎn)單，計(jì)算速度較快。

（作者單位：徐州技師學(xué)院）