[發明專利]一種金剛石圓鋸片鋸切系統建模及硬脆材料鋸切加工過程數值模擬方法

在審

• 申請號: 202110164527.8
• 申請日: 2021-02-05
• 公開（公告）號: CN113158413A
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發明（設計）人: 田永軍;陳彬杰;陳喆;杜偉軒;周世豪;劉仁虎;武澤孟
• 申請（專利權）人: 天津職業技術師范大學（中國職業培訓指導教師進修中心）
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 天津創智睿誠知識產權代理有限公司 12251
• 代理人: 王海濱

本發明公開了一種金剛石圓鋸片鋸切系統建模方法及基于該系統的硬脆材料鋸切加工過程數值模擬方法，本發明為金剛石圓鋸片鋸切加工硬脆材料提供了一種精度較高方法，所述的方法為FEM?SPG耦合法。所述的耦合法是將工件鋸切過程中出現碎屑破碎、飛濺等區域的工件材料離散為SPG無網格粒子，在此區域使用粒子流動的方式來處理大變形問題，而在其它塑性、彈性小變形區域使用計算效率更高的FEM法，即保證了計算效率又保證了計算精度；本發明適用于計算模擬金剛石圓鋸片鋸切大理石、花崗巖、混凝土等硬脆材料的加工過程，具有適用性強、計算精度較高等特點，降低了計算成本，為鋸片性能預測提供了新方法。

技術領域

本發明屬于硬脆材料加工領域，具體來說涉及一種金剛石圓鋸片鋸切系統建模及硬脆材料鋸切加工過程數值模擬方法。

背景技術

金剛石圓鋸片是一種石材、硬脆材料加工工具，具有良好的適用性。我國現處于高質量發展的時期，城鎮房屋、裝潢和基礎設施建設投資保持較大規模，為金剛石圓鋸片發展提供了持續穩定的市場空間，同時也為金剛石圓鋸片鋸切性能提出更高要求。鋸切加工過程中鋸切力是重要技術參數，不僅衡量了鋸切效率而且決定了鋸片壽命，是評價鋸切性能優劣的重要指標，同時鋸片力也是鋸切機理研究的重要對象。

從本質上提升加工工具的鋸切性能，必須獲取準確的鋸切力、鋸片振動信息。采用實驗手段或理論分析方法很難獲取準確鋸切力、振動等瞬間響應信息，且試驗成本較高，而數值仿真技術為解決此類問題提供了有效方法。目前，學界主要集中利用有限元 (FEM)、光滑流體動力學(SPH)及FEM-SPH耦合等方法還原整個加工過程，促進了鋸切加工仿真應用技術發展。然而在傳統FEM框架下的石材鋸切過程切屑飛濺、材料分離效果不明顯，導致對材料去除機理研究受到限制，而且FEM對離散網格的質量要求高，在處理大變形問題常出現網格畸變而產生的Jacobian矩陣的行列式值為負值現導致計算失敗，為此使用了單元失效技術(MAT_ADD_EROSION)解決此類問題，但這樣處理導致質量、動量和能量無法守恒，數值收斂性差。SPH法在把問題域離散為固定質量的粒子，無需網格劃分及重構，不會發生網格畸變，適合分析在高速、高壓作用下的硬脆材料的大變形問題，相比FEM提供了許多數值上的優點，且計算精度高，但是SPH法計算效率較低，在鋸切加工過程可能出現材料歷史信息的擴散、張力不穩定性、或者零能量模式、以及實施邊界條件時的困難，且與FEM耦合困難等問題。而無網格伽遼金(SPG) 算法，引入基于鍵斷裂的數值模型處理脆性材料、半脆性材料大變形問題，鍵斷裂模型無需刪除單元/節點，計算步長不隨材料變形而降低(Δ_t計算穩定)，與FEM模型可共節點耦合，計算效率較高，為表征金剛石圓鋸片鋸切硬脆材料(石材或混凝土)過程提供了一種有效的數值模擬方法。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種金剛石圓鋸片鋸切系統建模及硬脆材料鋸切加工過程數值模擬方法。該方法為石材鋸切加工響應信息計算與預測提供一種精度高的數值模擬方法，進而為提高硬脆材料鋸切加工技術提供了新的參考。該方法基本思想是將工件鋸切過程中出現大變形區的材料離散為SPG無網格粒子，在局部區域 (SPG區域)使用粒子流動的方式來處理碎屑破碎、飛濺問題，而在其它塑性、彈性小變形區域使用計算效率更高的FEM法。

一種金剛石圓鋸片鋸切系統建模方法，該方法包括：

步驟1，問題域定義：根據實際工況定義鋸切系統主要組成部分：金剛石圓鋸片、夾盤及工件，對上述鋸切系統利用三維制圖處理軟件進行三維幾何結構設計。

步驟2，離散化問題域及定義材料本構參數：對所述的幾何結構(問題域)導入CAE前處理器Hypermesh進行幾何檢查和修正，消除幾何模型中的間隙、重疊和缺損，以免對仿真結果造成影響，利用FEM技術將幾何結構離散為Solid164三維單元構成實體結構。