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切削加工过程的三维有限元实时仿真研究

吴彦荣  
【摘要】:随着产品更新换代速度的不断加快,企业必须加快产品设计制造的步伐才能满足消费者的需求。虚拟制造的原理及相关技术不断的发展并在企业中得到应用,其中CAD/CAM技术在产品的设计制造环节发挥着重要作用。然而现有的加工仿真系统都集中于几何仿真,不能反映加工过程中的物理现象,也不能反馈工件加工后的相关信息以改进工艺、加快从设计到制造的步伐。因此为了能更真实的模拟加工过程,以减少设计制造的反馈更改时间,在建立相关的加工过程的物理模型方面加工仿真领域做了大量研究。本文在阐述了相关研究现状的基础上,对切削加工过程仿真进行了研究。 本文在第一章中简述了切削加工仿真的发展历程,并对切削加工物理仿真的研究现状及关键技术做了归纳分析。针对现有研究中有限元分析与加工仿真的结合问题,在第二章中结合切削加工的基本原理,运用静力学有限元分析的方法建立切削加工的力学分析模型。以网格单元为媒介,依据在几何仿真中将切削过程离散的策略,在每个时间步内完成材料的去除并对工件进行静力学分析,并将分析结果反馈回工件,以实现几何仿真与有限元分析的结合。 为实现上述模型,本文在第三、四章对相关技术做了研究。针对单元网格的划分,本文提出以切削加工参数为依据通过AFT法获取节点以分离工件层与切屑层的策略。以B-rep实体模型为输入,采用Delaunay四面体剖分算法及相关辅助算法获取有限元分析所需的单元,保证材料去除的同时保存完整的单元。为了加快仿真时有限元方程的求解速度,本文对求解有限元方程的Gauss算法迭代策略进行了改进,并规定了单元去除时刚度矩阵的变化规则,以加快有限元分析速度。同时对仿真时切屑的分离、边界条件的施加等问题做了研究。 在第六章中开发了加工仿真系统,运用VC++6.0编程工具,建立了基于OpenGL图形库的三维仿真环境;按照本文建立的切削加工模型以及相关技术建立了构成切削加工模拟系统所需要的各个类。系统实现了三维实体的显示、人机交互、实体的静力学分析和切削加工模拟。最后以切削细长轴为例进行了切削加工的模拟,并分析了由切削力造成工件变形而引起的加工误差。


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