Применение CAE-программ для sph-моделирования процесса резания однонаправленного волоконно-армированного композита

_Резание материалов и проектирование специального инструмента_

УДК 621.922

ПРИМЕНЕНИЕ САЕ-ПРОГРАММ ДЛЯ SPH-МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ОДНОНАПРАВЛЕННОГО ВОЛОКОННО-АРМИРОВАННОГО КОМПОЗИТА

И. А. Щуров, А.В. Никонов

Для моделирования процесса резания заготовок все шире применяются метод конечных элементов и метод гидродинамики сглаженных частиц (SPH). Результаты такого компьютерного моделирования зависят как от математического, так и от алгоритмического аппаратов. Представленные в работе расчеты зоны резания с применением трех CAE программ: ANSYS Autodyn, Abaqus и LS-Dyna-показывают достаточную адекватность всех трех моделей реальным процессам резания заготовок из однонаправленных волоконно-армированных композитов. Установлено, что связанные с отрывом волокон от матрицы напряжения вдоль поверхностей последних в случае применения ортогонального резания примерно в два раза выше, чем напряжения для случая косоугольного резания двумя ортогональными лезвиями.

Ключевые слова: резание заготовок из композитов, зона резания, SPH-метод расчета.

1. Введение. Расчет зоны резания при механической обработке заготовок был и остается важнейшим направлением в науке о резании материалов [1]. Все более широкое применение композитов и, в частности, однонаправленных волоконно-армированных композитных материалов (ОВКМ) ставит новые задачи по моделированию процесса резания [2]. В данных исследованиях все большую популярность приобретают численные методы расчета и, в частности, метод конечных элементов [3-5]. Однако этот метод имеет известные ограничения, которые, в числе прочего, связаны и с большими деформациями при моделировании таких процессов, как резание металлов и других материалов [6, 7]. Для моделирования процессов с большими деформациями и перемещениями на существенные расстояния частей первоначально единой области все шире применяется метод гидродинамики сглаженных частиц (Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH) который относится несеточным лагранжевым методам. В этом методе, как и в методе конечных элементов, рассматриваемая область разбивается на дискретные элементы, называемые частицами. Однако центральным местом данного метода является определение любой физической величины для любой частицы на основании суммирования соответствующих величин всех частиц, которые находятся в пределах двух так называемых сглаженных длин. Это позволяет экономить вычислительные ресурсы, исключая относительно малое влияние отдаленных частиц. Данный метод нашел широкое применение в расчетах жидкостей и газов.

В последнее время были получены решения с применением SPH-метода и для решения задач механики твердых тел и резания металлов, однако при этом были опубликованы утверждения, что не все проблемы в данной задаче еще до конца решены [8-10]. Учитывая описанные выше преимущества SPH-метода, представляется целесообразным его использование в расчетах резания заготовок из ОВКМ. В этом случае такие заготовки можно представить в виде микромоделей с описанием как матрицы, так и отдельных волокон композита. В данном методе можно задавать практические все необходимые свойства материалов. В частности, авторы данной публикации в ранних исследованиях для расчета процессов высокоскоростного нагружения твердых тел, к которым относится и резание, для описания волокон применили эмпирическую модель Джонсона-Кука [11-13]. Данная модель учитывает большинство особенностей пластического деформирования и поведения металлов при больших деформациях с различными скоростями и относительно невысокими температурами. Для мягкой алюминиевой матрицы были выбраны модели и Джонсона-Кука, и Паффа (Puff) [14-15]. Первые полученные результаты в целом отвечали картинам, наблюдаемым в экспериментальных исследованиях [16]. Однако ряд особенностей расчетов не соответствовал ожидаемым результатам. В частности, наблюдалось преждевременное отслаивание волокон от матрицы, в других случаях происходило преждевременное разрушение волокон без каких-либо заметных деформаций со стороны матрицы. По мнению авторов, такие особенности связаны не столько с математическими моделями физических явлений или свойств материалов, сколько с основной направленностью данных CAE-программ, соответственно с их алгоритмической и программной реализацией. Исходя из этого была предпринята попытка выполнить одни и те же расчеты в различных программах. С учетом результатов таких расчетов была выбрана одна из программ, с использованием которой далее были выполнены расчеты по улучшению процесса резания заготовок из ОВКМ.

2. Моделирования зоны резания ОВКМ с использованием различных программ.

2.1. Моделирование обработки с использованием программы Ansys Autodyn. Для моделирования процесса резания заготовка была представлена в виде параллелепипеда из однонаправленного волоконно-армированного композитного материала. Расчеты велись для условий: материал волокон STEEL 4340 или отечественный аналог 40ХН2МА.

Параметры стали: плотность 7830 кг/м , модуль упругости Юнга 210 ГПа. Материал матрицы - алюминиевый сплав AL6061-T6 или отечественный аналог АД33 с плотностью 2700 кг/м . Другие параметры, соответствующие моделям материалов Джонсона-Кука и Паффа, приведены в

ранее опубликованной статье [11]. Угол наклона армирующих волокон к горизонту варьировался от 450 до 900. С целью сопоставления результатов расчета с экспериментальными данными одной из известных публикаций [2] была использована и расчетная схема процесса резания для случая ориентации волокон 450 к горизонту. Параметры схемы: глубина резания ¿=0,15 мм; радиус округления режущей кромки р=0,05 мм; задний угол а=60; передний угол у=5°.

В результате моделирования процесса резания были получены картины, представленные на рис. 1. Результаты моделирования позволили установить следующее: наблюдается формирование элементов стружки, состоящих как из волокон, так и прилегающих к ним частей матрицы, что в целом отвечает данным, полученным опытным путем [16]. Здесь же наблюдаются элементы ворсистости обработанной поверхности, вызванные разрушением армирующих волокон с задержкой после разрушения соответствующих прилегающих слоев матрицы. Эти картины в целом также соответствуют наблюдаемым на практике.

Рис. 1. Стружкообразование и распределение напряжений

Вместе с тем, в ходе моделирования путем подбора параметров материалов и процесса резания авторам не удалось добиться изгиба волокон в направлении вектора движения резания, что не соответствует опытным данным. Не удалось получить и числовую оценку промежуточных результатов моделирования в ходе расчета.

2.2. Моделирование обработки с использованием программы Ab-aqus. В качестве исходных данных моделирования в программе Abaqus были приняты: трехмерная постановка моделей; ортогональное свободное и косоугольное виды резания; форма композитной заготовки в виде параллелепипеда; угол наклона армирующих волокон к горизонту 900. Материалы композита: волокна - конструкционная легированная сталь STEEL 4340; матрица - алюминиевый сплав AL6061-T6. Параметры расчетной схемы: глубина резания t=0,15 мм; радиус округления режущей кромки р=0,001 мм; задний угол а=70; передний угол у=15°. Для случая косоугольного резания угол наклона режущей кромки принимался Х=45°.

229

Как видно из рис. 2, при резании наблюдается изгиб волокон в направлении, ортогональном к главной режущей кромке, и в направлении вектора скорости главного движения резания при косоугольном резании. Эти картины соответствуют, опытным данным. Во втором случае изгиб волокон меньше, соответственно, и отрыв этих волокон от матрицы в местах изгиба в этом случае меньше. Это подтверждает целесообразность применения инструментов с положительными углами наклона режущих кромок при резании волоконно-армированных композитов.

Рис. 2. Моделирование в Abaqus процессов ортогонального

и косоугольного резания

Применение данной программы не позволило авторам установить необходимые контактные взаимодействия между поверхностями волокон и матрицы. Не удалось авторам назначить необходимые граничные условия 8РИ-частицам и получить оценки промежуточных результатов моделирования в ходе расчета.

2.3. Моделирование обработки с использованием программы Ь8-Бупа. Расчетная схема и свойства материалов были аналогичны изложенным в предыдущем п. 2.2. С использованием данной программы авторам удалось назначить условия контактного взаимодействия поверхностей волокон с матрицей и численно оценить промежуточные результаты и для ортогонального, и для косоугольного видов резания (рис. 3). Удалось по величинам напряжений найти места начала отслоения волокон от матрицы в процессе резания.

Таким образом, расчет напряженно-деформированного состояния зоны резания заготовки из волоконно-армированного композитного материала с применением 8РИ-метода расчета позволил получить результаты, схожие с процессом резания, наблюдаемым в экспериментальных исследованиях. На следующих стадиях исследования были предприняты попытки найти способы улучшения свойств композитного слоя детали вблизи ее обработанной поверхности посредством расчетов в программе Ь8-Бупа.

Рис. 3. Ортогональное и косоугольное виды резания и резание двумя ортогонально расположенными лезвиями

3. Моделирования зоны резания ОВКМ с использованием Ь8-Бупа для случая резания двумя ортогонально расположенными лезвиями.

Предварительным исследованиями было установлено, что и в случае ортогонального, и в случае косоугольного видов резания наибольшие деформации волокон и матрицы наблюдаются в направлении, ортогональном к главной режущей кромке. При этом было установлено, что наблюдается отрыв волокон от матрицы тем больший, чем больший изгиб получают волокна. Все это, как известно, ухудшает эксплуатационные свойства композитных деталей. В связи с этим дальнейшие исследования были направлены на уменьшение величин напряжений в матрице в зонах, прилегающих к волокнам.

В качестве одного из способов уменьшения изгиба волокон авторами было предложено резание двумя ортогонально расположенными лезвиями. В этом случае наряду с главным опережающим лезвием, работающим по косоугольной схеме резания, используется другое, запаздывающее встречно-направленное симметрично расположенное лезвие. Расположенное позади первого лезвия второе ортогонально расположенное лезвие должно иметь достаточный зазор с предыдущим лезвием для того, чтобы обеспечить исключение пакетирования стружки у смежных вершин. Это, с одной стороны, должно обеспечить вывод стружки между данными лезвиями, с другой стороны, уменьшить напряжения в зоне резания путем организации встречного движения волокон и матрицы перед лезвиями. Такое предположение было основано на том, что скорости резания относительно высоки и инерционность материала заготовки в зоне резания должна обеспечить сохранение ее начальной деформации вблизи обработанной поверхности от воздействия первого лезвия до момента появления встречной деформации от воздействия запаздывающего лезвия. На практике множество таких лезвий можно расположить, например, на цилиндрической фрезе [11].

Данная гипотеза, направленная на минимизацию отрыва волокон от матрицы у обрабатываемой поверхности, была проверена путем моделирования 8РИ-методом расчета. Полученные картины деформаций представлены на рис. 3 справа. Деформации в направлении, перпендикулярном главной режущей кромке резцов, оказались меньшими, чем в случае работы одним лезвием как для ортогонального, так и косоугольного видов резания (рис. 4).

Время, мс Время, мс

Рис.4. Изменение эквивалентных напряжений в точках по высоте волокна и с течением времени прохождения лезвия при ортогональном резании и с использованием двух резцов

Выбор определенных параметров инструментов и их взаимного расположения позволяет добиться исключения задерживания стружки между резцами. Стружка от первого резца отводится преимущественно в направлении, нормальном его главной режущей кромке, далее некоторая ее часть отбрасывается на второй резец и вместе с его стружкой отводится частично вверх и частично назад в зону зазора между лезвиями.

4. Выводы. Установлено, что 8РИ-моделирование позволяет выполнять расчеты напряженно-деформированного состояния зоны резания однонаправленных волоконно-армированных композитов; картины деформаций и напряжений в целом соответствуют наблюдаемым экспериментально.

Для уменьшения изгиба волокон у обработанной поверхности и соответственно уменьшения их отрыва от матрицы целесообразно применять косоугольное резание. Моделирование резания двумя ортогонально расположенными лезвиями показывает, что напряжения на волокнах у обработанной поверхности примерно в два раза меньше напряжений, возникающих при свободном резании. Таким образом, применение двух ортого-

232

нально расположенных резцов является одним из направлений дальнейшего исследования по уменьшению отрыва волокон от матрицы в процессе резания композитной заготовки.

Статья выполнена при поддержке Правительства РФ (Постановление №211 от 16.03.2013 г.), соглашение № 02.A03.21.0011.

Список литературы

1. Sheikh-Ahmad J.Y. Machining of polymer composites. Springer, 2009. 321 p.

2. Teti R. Machining of Composite Materials // CIRP Annals - Manufacturing Technology. 2002. Vol. 2. P. 611-634.

3. Mkaddem A., Mansori M.E. Finite element analysis when machining UGF-reinforced PMCs plates: Chip formation, crack propagation and induced-damage // Materials and Design. 2009. Vol. 30. PP. 3295-3302.

4. Finite element and experimental studies of the cutting process of SiCp/Al composites with PCD tools / L. Zhou, S.T. Huang, D. Wang, X.L. Yu. // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2011. Vol. 52. P. 619 - 626.

5. Influence of tool geometry and numerical parameters when modeling orthogonal cutting of LFRP composites / X. Soldani, C. Santiuste, A. Muñoz-Sánchez, M.H. Miguélez. Composites: 2011. Part A. 42. P. 1205 - 1216.

6. Rao G.V.G., Mahajan P., Bhatnagar N. Micro-mechanical modeling of machining of FRP composites - Cutting force analysis // Composites Science and Technology. 2007. Vol. 46. P. 579 - 593.

7. Rao G.V.G., Mahajan P., Bhatnagar N. Machining of UD-GFRP composites chip formation mechanism // Composites Science and Technology. 2007. Vol. 67. P. 2271 - 2281.

8. High speed machining modelling: SPH method capabilities / J. Limido, C. Espinosa, M. Salaün, C. Mabru, R. Chieragatti. // Procedding of 4th Smoothed Particle Hydrodynamics European Research Interest Community (SPHERIC) workshop. 2006. P. 8.

9 Limido J., Espinosa C., Salaün M., Lacome J.L. SPH method applied to high speed cutting modeling// International Journal of Mechanical Sciences. 2007. Vol.7. P. 898 - 908.

10. Bagci E. 3-D numerical analysis of orthogonal cutting process via mesh-free method// International Journal of the Physical Sciences. 2011. Vol. 6. P.1267 - 1282.

11. Shchurov I.A., Nikonov A.V. Fiber-reinforced composite workpiece surface quality improvement in machining by milling-cutter with opposite cutting edges using SPH-method simulation// Вестник ЮУрГУ. Сер. «Машиностроение». 2016. Т. 16. № 1. С. 56 - 62.

233

12. Shchurov I.A., Nikonov A.V., Boldyrev I.S. SPH-simulation of the fiber-reinforced composite workpiece cutting for the surface quality improvement // Procedia Engineering 2016. Vol. 150. P. 860 - 865.

13. I.A. Shchurov, A.V. Nikonov, I.S. Boldyrev, D.V. Ardashev. SPH modeling of chip formation in cutting unidirectional fiber-reinforced composite // Russian Engineering Research. 2016. Vol. 36. No. 10. PP. 883 - 887.

14. Johnson G.R., Cook W.H. Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates, temperatures and pressures// Engineering Fracture Mechanics. 1985. Vol. 1. P. 31 - 48.

15. Schwer L.E. Aluminium plate perforation: A comparative case study using Lagrange with Erosion// Proceeding of multi-material ALE and smooth particle hydrodynamics: 7-th European LS-DYNA Conference. 2009. 28 р.

16. Rao G.V.G., Mahajan P., Bhatnagar N. Machining of UD-GFRP composites chip formation mechanism // Composites Science and Technology. 2007. Vol. 67. P. 2271 - 2281.

Щуров Игорь Алексеевич, д-р техн. наук, проф., shchurovia@susu.ru, Россия, Челябинск, Южно-Уральский государственный университет,

Никонов Александр Владимирович, студент, nikonov. avs39@gmail. com, Россия, Челябинск, Южно-Уральский государственный университет

CAE PROGRAMS APPLICATION FOR SPH MODELING OF UNIDIRECTIONAL FIBRE REINFORCED COMPOSITE CUTTING PROCESS

I.A. Shchurov, A. V. Nikonov

Finite Element Method and Smoothed Particle Hydrodynamics Method (SPH) are more and more widely applied for workpiece cutting process modeling. Results of such computer modeling depend both from mathematical, and from algorithmic approach. The paper presents cutting zone modeling with application of three CAE programs: ANSYS Autodyn, Abaqus and LS-Dyna. Modeling results show sufficient adequacy of all three models to real cutting processes of unidirectional fiber reinforced composite workpieces. It is established that for a case of orthogonal cutting fibers from matrix separation stresses along fibers are approximately twice higher, than tensions for a case of non-orthogonal cutting with two orthogonal edges.

Key words: composite workpiece cutting, cutting zone, SPH calculation method.

Shchurov Igor Alexeevich, doctor of technical sciences, professor, shchuro-via@susu.ru, Russia, Chelyabinsk, South Ural State University,

Nikonov Alexandr Vladimirovich, student, nikonov. av39@gmail. com, Russia, Chelyabinsk , South Ural State University