| 基于断裂力学材料切削机理的数值模拟研究 |
| 英文题名 | The numerical simulation research of material cutting mechanism based on dynamic fracture mechanics
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| 楚小超
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| 导师 | 马维
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| 2014
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| 学位授予单位 | 中国科学院研究生院
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| 学位授予地点 | 北京
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| 学位类别 | 硕士
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| 学位专业 | 固体力学
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| 摘要 | 做为一种重要的加工成型手段，高速切削具有效率高，精度好，在航空航天和模具制造等工业中有广泛的应用。切削过程中包含着材料发生的高应变、高应变率和过程中产生的高温等机理，导致材料发生屈服、失稳和断裂等现象。切削过程是一个输入、输出参数多而复杂的系统，切削速度、材料塑性本构关系以及热力学性能、刀具的几何形貌和材料选取等输入参数的选取和确定对切削加工结果有决定性影响。长期以来国内外学者大都采用剪切带演化理论来解释切削机理，而采用动态断裂力学来阐释切削机理的观点鲜有出现。 本文主要基于动态断裂力学和材料高速切削的关系，基于动态断裂理论建立适用于高速切削的断裂动力学模型。该理论模型包含有对应于切削过程的切削速度、切削厚度和前刀面倾角等变量，可以对切削过程进行较为详细的描述，基于该模型可以对高速切削过程进行初步解释。本文研究内容主要包含两部分： 1) 应用动态断裂理论建立适用于切削过程的断裂动力学模型。应用二维平面问题平衡微分方程、几何方程、本构方程和Freund提出的稳态裂纹尖端应力场公式按照一定规则进行结合，获得半无限大体亚表面稳态扩展张角裂纹尖端应力场公式，建立适用于切削过程的断裂动力学模型。 2) 运用数值模拟方法，研究Ti-6Al-4V和AISI4340钢的切削行为。基于提出的断裂动力学模型，运用商用软件ABAQUS/Explicit对Ti-6Al-4V和AISI4340钢进行数值模拟研究。通过理论结果和数值结果的对比，分析前刀面倾角、切削速度和切削厚度对切削过程的影响。锯齿形切屑更容易出现在零或负的前刀面倾角情况下，也即仅存在I型裂纹尖端奇异场的情形下。通过变化切削厚度发现随着切削厚度的增大切削比能逐步减小，这是切削过程中典型的尺寸效应现象，而通过理论结果也能初步看出随着切削厚度的变化理论结果也有不同程度的波动，这也初步验证了尺寸效应这一现象。弹性应力、KI大小和分布演化的临界速度与切削过程中切屑形貌转变的临界速度保持一致。这也初步说明了锯齿状切屑的形成是由于刀具前工件自由表面周期性裂纹出现造成的。 |
| 索取号 | 00000
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| 语种 | 中文
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| 文献类型 | 学位论文
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| 条目标识符 | http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/48919
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| 专题 | 流固耦合系统力学重点实验室
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推荐引用方式
GB/T 7714 |
楚小超. 基于断裂力学材料切削机理的数值模拟研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2014.
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