3-82  炸药脆性材料切削加工数值模拟

李海峰  赵晓平  何铁宁

目前，公开报道的切削工艺模拟研究中，大多数停留在二维模拟上，而且是将工件约束，让刀具做直线进给运动，这样实际生产中工件或刀具的回转运动对切削加工过程的影响并没有体现出来。一般柱形件加工时工件做回转运动，刀具做进给运动，需采用更新的Lagrange网格来模拟三维的具有螺旋形运动轨迹的非正交切削。

利用LS-DYNA进行脆性材料切削加工的数值模拟，可以在不考虑切削产生热效应的情况下，基本上可以分析工件因切削而产生的变形及应力。

材料本构模式的选择对于模拟结果影响非常大。LS-DYNA提供的材料库十分丰富，有100多种金属和非金属材料模型可供使用，如弹性、弹塑性、脆性、土壤、混凝土、炸药等等。通过分析比较，如果不考虑因温度增高而使材料产生热软化效应，可以选用MAT-ORIENTED-CRACK材料本构模型。因为脆性材料拉伸应力极限低于压应力极限，炸药材料虽有塑性，但从切屑形态判断，其材料断裂形式并不完全是塑性材料断裂，还包含脆性断裂；至于是选择最大主应力还是选择最大主应变作为断裂判据应根据试验结果来判断。这是一个具有定向裂纹失效的各向同性弹塑性材料模型。

MAT-ORIENTED-CRACK材料模型需要状态方程(EOS)用以计算压力，还要求输入失效压力或应力(£0)，如果计算压力小于该值，则单元失效。

根据经验，选择EOS-GRUNEISEN作为其状态方程。对压缩材料，其压力可以表示为

式中：m =r/r₀-1；r₀为初始密度；r为当前密度；C为S_v-p₀曲线的截距；s_{1 ,} s₂ , s₃为S_v - p₀曲线斜度系数(S_v为体积应变，p₀为初始压力)；g₀为Gruneisn Gamma 参数；a为对g₀一阶体积校正；E为当前内能。

根据实际参数，建立三维有限元模型。刀具模型的角度参数与真实刀具完全一样，三爪卡盘来夹持固定工件。

数值模拟与实验结果比较，切削力在趋势和数量级上是一致的，说明本项工作对炸药脆性材料工件数值模拟过程中的一些技术问题的处理是可行的。