高速铣削难加工材料时硬质合金刀具前刀面磨损机理及切削性能研究

采用涂层硬质合金刀具和细晶粒硬质合金刀具对超高强度合金钢(硬度＞50HRC、抗拉强度σb＞1.4 GPa)和马氏体不锈钢(硬度＞30HRC)等难加工材料进行了干式高速端面铣削试验;选择刀具寿命作为刀具切削性能的评价指标,利用X射线能谱仪和扫描电子显微镜分析了硬质合金刀具前刀面的磨损形态、磨损机理以及刀具的切削性能.结果表明:在难加工材料的高速铣削过程中,涂层硬质合金刀具主要失效形式为前刀面磨损,细晶粒硬质合金刀具主要失效形式为前刀面月牙洼磨损与剥落;2种刀具的主要磨损机理均为扩散磨损和氧化磨损.对细晶粒硬质合金刀具而言,在考虑刀具材料与工件材料适配性的基础上,必须利用合理的刃口强化处理来降低磨损初期的刃口微崩刃倾向.     

切削刀具多层涂层的力学特性和耐磨性

利用纳米硬度计研究了硬质合金基体上ＣＶＤ沉积ＴｉＮ,ＴＩＮ／Ｔｉ（Ｃ,Ｎ）／ＴｉＣ、ＴｉＮ／ＴｉＮ／Ｔｉ（Ｃ,Ｎ）／ＴｉＣ／Ｔｉ（Ｃ,Ｎ）／ＴｉＣ和ＴｉＮ／Ｔｉ（Ｃ,Ｎ）／Ｔｉ（Ｃ,Ｎ）／ＴｉＣ／Ｔｉ（Ｃ,Ｎ）／ＴｉＣ等４种涂层的硬度和断裂韧性。讨论了载荷与压入深度关系曲线上的台阶和载荷与压入深度平方关系曲线上的直线段与涂层的断裂失效的界面失效的关系,指出可用临界载荷ｐｔ和ｐｉ来分别描述涂层的断裂     

离子束增强沉积氮化钛膜改善硬质合金刀具抗切削损伤性能的研究

通过切削对比试验，考察了分别用离子束增强沉积法和离子镀法镀覆ＴｉＮ膜的硬质合金刀具和无镀层的同种硬质合金刀具的抗切削损伤性能．结果表明，在给定的试验条件下，有离子束增强沉积ＴｉＮ膜硬质合金刀具的切削距离远比无镀层刀具的长，也比有离子镀ＴｉＮ膜刀具的长，其前面和后面的损伤都很小．这是离子束增强沉积过程中各种参数可以分别调节，膜层质量易于控制，能够形成致密度高且与基体结合力强的硬质薄膜的结果．刀具切削损伤的原因主要有磨损和脆性损伤，这都与刀具材料同被切削金属产生的粘着有关     

基于离散元法的干湿颗粒系统仿真

介绍了基于离散元法的干湿颗粒系统仿真软件DEMSIM。对于干颗粒系统,DEMSIM可以分析二维和三维颗粒系统的弹性和塑性接触碰撞过程;对于湿颗粒系统,DEMSIM采用传统的液桥模型;对于颗粒-流体系统,DEMSIM采用CFD-DEM细观耦合模型模拟。一系列典型算例的模拟分析,验证了干湿颗粒系统仿真软件DEMSIM的精度和有效性。     

离散元法研究的评述

介绍了离散元法的基本理论、计算方法及其应用的现状和最新进展.从离散元法的离散模型特点及便于甄别与其它数值计算方法的关系的角度给予离散元法一个比较宽松的定义.在此基础上阐明了离散元方法与刚体-弹簧模型(rigid body spring model, RBSM)方法,不连续变形分析(discontinuous deformation analysis, DDA)方法,分子动力学(moleculardynamics, MD)方法,三维离散元(discrete meso-element dynamicmethod, DM$^2$)方法及无网格方法(meshless method)等数值计算方法的关系, 并讨论了离散元法研究中亟待解决的问题和今后的发展方向.      

纳米TiAIN涂层硬质合金刀具高速铣削AerMet100钢的磨损机理

采用纳米TiAIN结构涂层硬质合金刀具对新型难加工材料AerMet100钢进行高速铣削试验,并对实验获得的数据从刀具磨破损形态及其磨损机理2方面进行系统地分析和研究。研究表明纳米TiAIN结构涂层硬质合金刀具在高速面铣削AerMet100钢时磨损破损形式主要为前刀面磨损、后刀面磨损、涂层材料的破损、微崩刃、边界沟槽磨损,贝壳状崩落;磨损机理主要是磨粒磨损、粘结磨损、氧化磨损和扩散磨损。此外,研究发现,高速铣削AerMet100钢时,由于工件材料中的Co含量较高,刀具中的Co元素不但没有扩散流失,反而增加。     

平面弹性力学问题的离散元法

根据离散元的基本原理,基于变形体的理论提出了适用于平面弹性力学问题的界面位移、应变和应力模式,建立了求解平面弹性力学问题的离散元方程和相应的迭代求解方法.通过界面位移可以简洁地将位移和力的边界条件引入离散系统的控制方程,也可以方便地求解节点位移.数值算例表明,与具有相同网格的有限元结果相比,离散元能同时给出精度相对较高的应力解和精度相当的位移解.     

高速冲击问题的离散元法数值模拟

以能量等效为原则,构建了新的求解弹塑性轴对称问题的离散元模型。通过引入断裂准则,使模型不仅可以应用于连续介质问题,还可以应用于从连续介质向非连续介质的动态转化过程。最后,通过模拟钢板受冲击载荷产生层裂的过程,说明模型在高速冲击问题中的适用性及其有效性。     

基于离散元法的刚性履带低含水软地面附着特性数值分析

针对低含水软地面低黏性、高摩擦的力学特性,以刚性履带在干燥壤土行驶这一典型工况为试验条件,基于离散单元法选取合理的颗粒细观参数,在三轴剪切试验的基础上建立并验证了土壤数值仿真模型。通过数值牵引试验,对刚性履带低含水软地面的附着特性进行了离散元细观分析。分析表明,土壤附着力随履刺的向后排列而递减;垂直于履带行驶方向的附着作用不可忽略;离散元法能更好地还原低含水软地面的力学特性,揭示了土壤颗粒在动态荷载下非连续的本质,适合于干燥、松散的低含水软地面数值研究。     

三维切口/裂纹结构的扩展边界元法分析

在线弹性理论中,三维 V 形切口/裂纹结构尖端区域存在多重应力奇异性,常规数值方法不易求解. 本文提出和建立了三维扩展边界元法 (XBEM),用于分析三维线弹性 V 形切口/裂纹结构完整的位移和应力场. 先将三维线弹性 V 形切口/裂纹结构分为尖端小扇形柱和挖去小扇形柱后的外围结构. 尖端小扇形柱内的位移函数采用自尖端径向距离 $r$ 的渐近级数展开式表达,其中尖端区域的应力奇异指数、位移和应力特征角函数通过插值矩阵法获得. 而级数展开式各项的幅值系数作为基本未知量. 挖去扇形域后的外围结构采用常规边界元法分析. 两者方程联立求解可获得三维 V 形切口/裂纹结构完整的位移和应力场,包括切口/裂纹尖端区域精细的应力场. 扩展边界元法具有半解析法特征,适用于一般三维 V 形切口/裂纹结构完整位移场和应力场的分析,其解可精细描述从尖端区域到整体结构区域的完整应力场. 作者研制了三维扩展边界元法程序,文中给出了两个算例,通过计算结果分析,表明了扩展边界元法求解三维 V 形切口/裂纹结构完整应力场的准确性和有效性.      

极地船舶冰区操纵性能的六自由度离散元分析

极地船舶操纵破冰性能是破冰船设计建造过程中需重点考虑的问题。为分析极地船舶操纵性能,本文发展了冰区船舶六自由度操纵破冰运动模型,采用扩展多面体离散元模拟海冰,舵桨操纵模型提供破冰力。开展平整冰区定常直航模拟计算,并与Lindqvist船体冰阻力经验公式展开对比验证;开展雪龙号敞水35°舵角操纵性仿真,并与实船试航结果进行对比。在此基础上,开展冰厚及舵角影响下的船体结构冰载荷及破冰轨迹计算,模拟得到操纵破冰航行中船体垂荡、横摇及纵摇运动时程;最后分析操纵破冰船体线载荷分布与直航破冰下的差异。     

基于离散元-有限元模型的冰激锥体海洋平台结构振动分析

冰荷载是影响海洋平台结构及其上部设备作业安全的重要因素。针对海洋平台与海冰相互作用的动力过程,采用具有粘接-破碎性能的离散元方法(DEM)对海冰的破碎特性进行分析,采用有限元方法(FEM)对海洋平台结构的动力响应进行计算;同时考虑海冰与海洋平台结构的耦合作用,将海冰的离散元方法与海洋平台结构的有限元方法相结合,建立了冰激海洋平台结构振动的DEM-FEM模型,并由此计算海冰作用下海洋平台结构的振动响应以及冰荷载特性。     

离散元与壳体有限元结合的多尺度方法及其应用

在深入研究复杂结构和非均质材料冲击响应和破坏机理的过程中,往往遇到多尺度计算问题。本文尝试建立三维离散元与壳体有限元结合的多尺度方法用于处理圆柱壳问题,该方法采用三维离散元对感兴趣的局域进行局部模拟,利用平板壳体有限元进行整体模拟,采用一种特殊的过渡层使离散元区和有限元区能很好的衔接。我们将这一方法应用于激光辐照下充压柱壳的热/力耦合冲击破坏响应,得到的模拟结果与文献报道有较好的吻合。     

离散单元法的计算参数和求解方法选择

本文对离散单元法的一些基本问题进行了研究,给出了刚度计算公式,提出了两种新的用于求解静态问题的自适应阻尼,并以自由落体运动为例,探讨了中心差分法、     

自然单元法在线弹性断裂力学中的应用研究

采用Laplace插值构造近似场函数,代入弹性力学边值问题的变分弱形式,由变分原理推导出自然单元法的离散控制方程。运用线弹性断裂力学理论,分析了有限板单边Ⅰ型裂纹的应力强度因子和有限板拉剪复合裂纹的扩展,给出了分析线弹性断裂力学问题的自然单元法。数值计算结果表明了方法的正确性和有效性。     

数学网格和物理网格分离的有限单元法(II):粘聚裂纹扩展问题中的应用

强化有限单元法将物理网格与数学网格分离开来,可以方便地描述非连续变形;粘聚区域模型是模拟断裂过程区作用最简单有效的方法,且可以避免裂纹尖端的应力奇异性.本文以平面问题为例,将强化有限单元法与粘聚区域模型相结合,利用富集数学节点描述任意粘聚裂纹扩展过程中的非连续变形问题,提出了裂纹扩展过程中数学节点富集和数学单元定义的方法.本文还导出了与平面4～8节点平面等参单元对应的8～16节点粘聚裂纹单元列武.最后,通过三点弯梁的裂纹扩展过程模拟验证了本文提出的粘聚裂纹扩展模拟方法的有效性.     

基于离散元的杆件断裂全过程数值模拟

杆件的断裂会涉及到大变形、非线性以及不连续等问题,通常的数值计算方法模拟这种复杂力学行为具有局限性。本文基于颗粒离散元法DEM,将接触粘结处的分布式弹簧用梁纤维进行等效,提出了一种适于结构弹塑性分析的DEM纤维梁模型,然后在此基础上构建了构件断裂模拟算法以及纤维破环准则。将该模型应用于悬臂梁结构,模拟了悬臂梁从弹性到弹塑性阶段,再到断裂破坏的全过程,数值模拟得到的结构响应和截面开裂破坏形态均较合理。最后将该方法应用于单层网壳倒塌破坏模拟,并与网壳振动台倒塌试验进行对比,结果表明,数值模拟得到的杆件断裂过程及结构倒塌模式与试验现象一致,验证了该模型的正确性和适用性。     

Improved experimental tracking techniques for validating discrete element method simulations of tumbling mills

We report on further developments in the three-dimensional tracking of a particle deep within the tumbling ball charge of an experimental mill. The experimental X-ray program employing the use of bi-planar X-ray angiography now includes the tracking of a typical 6 mm bulk charge particle in three dimensions with a spatial resolution that is accurate to within 0.15 mm. The improved experimental tracking techniques presented were developed for the purpose of generating accurate three-dimensional particle trajectory data against which to validate a numerical method for the simulation of discrete media, namely the discrete element method (DEM). These improvements are complimented with techniques for comparing charge profiles between numerical DEM simulations and three-dimensional experimental trajectory data.     

Fracturing damage process in dynamic split experiments of a brittle glass

In this study, the 3-dimensional discrete element method is firstly introduced to explain the fracturing damage process of the dynamic split experiment of a special brittle glass ZnS. The corresponding dynamic split experiment is also performed by using the split Hopkinson pressure bar. Then the numerical results correspond closely to those obtained by experiments, and the fracturing damage mode shows that the sample under high strain rate loading would crack along vertical diameter in the band region between two loading edges, which differs from the static damage mode. Furthermore, by comparing a group of contrast numerical tests, the numerical results prove that loading area upon the top side of samples would influence the fracture mode of dynamic split experiments, which indicates that the narrow loading plane is better.     

Modeling particle sedimentation in viscous fluids with a coupled immersed boundary method and discrete element method

Numerical techniques have increasingly been used to model fluid–particle two-phase flows. Coupling the immersed boundary method (IBM) and discrete element method (DEM) is one promising approach for modeling particulate flows. In this study, IBM was coupled with DEM to improve the reliability and accuracy of IBM for determining the positions of particles during the sedimentation process within viscous fluids. The required ratio of the particle diameter to the grid size (D/dx) was determined by comparing the simulation results with the analytical solution and experimental data. A dynamic mesh refinement model was utilised in the IBM model to refine the computational fluid dynamics grid near the particles. In addition, an optimum coupling interval between the IBM and DEM models was determined based on the experimental results of a single particle sedimentation within silicon oil at a Reynolds number of 1.5. The experimental results and the analytical solution were then utilised to validate the IBM–DEM model at Reynolds numbers of 4.1, 11.6, and 31.9. Finally, the validated model was utilised to investigate the sedimentation process for more than one particle by modeling the drafting-kissing-tumbling process and the Boycott phenomenon. Benchmark tests showed that the IBM–DEM technique preserves the advantages of DEM for tracking a group of particles, while the IBM provides a reliable and accurate approach for modeling the particle–fluid interaction.