切削仿真模型调试方法与技巧

在上一篇文章（切削仿真基础模型与注意事项）我们对切削仿真的基础模型进行了系统的介绍，同时结合常见工艺方法进行了案例分析，这些有助于增强切削仿真爱好者对有限元模型的宏观认识，能够使大家初步建立起正确的切削仿真模型并且可以为后续的切削仿真工艺优化奠定基础。但是在切削仿真过程中还会出现各种各样的异常问题，比如：求解效率低下、网格质量不高、仿真算力不够等。这些都属于模型调试的范畴，要想彻底解决这些问题，从而使我们能游刃有余的对模型进行灵活的调试，以便于得到一个高效、高质量的模型，我们就需要对以下几个方面有所了解，今天我们就来为大家进行系统的介绍。

一

刀工模型检查

刀工模型的全称是刀具和工件的几何模型，这是切削仿真的第一步，也是非常重要的一步。很多问题都是由于刀工模型的问题而产生的，尤其是刀具模型，比如显示增量步过多，需要打开双精度提示；或者job那里很久也不出现一帧等。这些都很有可能是刀具模型有问题，比如钻头或铣刀的刀刃，如果建模时没有处理好就会出现一些很小的边或狭长的面，这样在划分网格时就会相应的出现单元夹角过小的现象，从而影响网格质量，最终会由于增量步过小或者增量步数过多而影响求解效率或者根本无法计算。因此，在正式进行切削仿真之前一定要反复检查，以便于确定刀具模型的质量，为后续的顺利仿真打好基础。

二

刀工模型简化

前面我们说了刀工模型的检查，检查合格只能说明模型是好用的，但是未必也说明仿真效率也会是理想的。因为在切削仿真过程中，实际参与切削的部分其实很小，对于工件来说，仅仅是即将成为切屑的部分，对于刀具来说也仅仅是刀尖附近的部分，因此我们只需要对刀具和工件的这两部分细化网格即可，其它部分可以粗化网格甚至也可以不划分网格。有鉴于此，我们就需要对刀具和工件的几何模型进行有效的简化。比如工件模型，对于大型旋转类车削零件，如果只考虑切屑形态，那么仅需对前端外缘部分细化网格即可；再比如对于铣刀或钻头来说，切削区域以外的部分也可以分割掉，不划分网格。

三

工艺参数检查

对于初学者来说，工艺参数问题常常犯三种错误。

第一，不会确定工艺参数的单位制；

第二，不会将切削工艺参数转化为Abaqus的输入量；

第三，不会准确的判断工艺参数和切削时间以及网格数量的关系。

首先，我们来看第一点，工艺参数的单位制问题。对于线速度，一般为每分钟多少米，比如120米/分钟，然而我们切削仿真一般是用毫米、秒为单位制，因此需要转化为2000毫米/秒。

其次，我们再说下第二点，就是如何将切削工艺参数转化为Abaqus的输入量。这一点尤为重要，但恰恰也是非常容易出现问题的地方。切削工艺参数包括:主轴转速、进给量和切削深度。对于Abaqus软件来说，旋转速度一般是以角速度来表示，单位为：弧度/秒。比如主轴转速为3000转/分钟，转化角速度应该为314弧度/秒。对于进给量，具体分为：每转进给量、每齿进给量和每分钟进给量，不同的表达形式在Abaqus中的输入方式都是不同的。比如120米/分钟，如果我们依然采用毫米、秒为单位制，那么在Abaqus中就要在移动速度那里输入2000毫米/秒；再比如0.1毫米/转，如果我们想仿真两圈，同时主轴转速依然为3000转/分钟，两圈就是0.04秒，那么在移动速度那里我们就要输入0.2/0.04=5毫米/秒；当然如果进给量是以每齿多少毫米的方式来给出的，那我们就要先想一下我们到底要旋转几个齿，同时再计算出这几个齿的旋转时间，然后再用每齿进给量乘以齿数再除以旋转这几个齿的时间，把这个结果输入到Abaqus软件边界条件中移动速度那里即可。

最后，我们再来说下第三点，就是工艺参数和切削时间以及网格数量的关系。一般来说切削时间根据主轴转速来判断即可，当然首先要知道的是刀具或者工件旋转几圈，这个只能根据具体工况或者仿真者的意愿来确定了。比如主轴转速是3000转/分钟，如果想仿真两圈，仿真时间就是0.04秒，那么step那里就要输入0.04；也可以根据每转进给量来确定，比如0.1毫米/转，如果想在轴向方向切削0.5毫米，那么工件就要旋转5圈，假设主轴转速依然为3000转/分钟，那么总的切削时间就应该是0.1秒，那么Step那里就要输入0.1。对于吃刀深度，一般影响的是网格尺寸和数量，当然每转进给量也是影响网格尺寸和数量的重要因素。

四

损伤参数调试

以上内容仅是进行模型调试的必备基础工作，要想全方位的进行模型调试还必须从损伤、网格、算力以及仿真质量和算力等方面入手，下面我们先来说下损伤参数调试问题。损伤参数是切削仿真模型中非常重要的参数，没有之一。如果模型没有损伤参数将不会产生切屑，同样也会由于切削应力过大而导致单元发生畸变从而使计算终止等现象；如果损伤参数不当也会产生诸如材料过脆或者单元拉长而不断的现象，同时如果损伤参数过大还会导致稳定增量步过小同时增量步数过多等问题，因此一定要先调试损伤参数然后再进行后续的调试，具体的调试方法可以参考本公众号的上一篇文章切削仿真基础模型与注意事项。

五

网格参数调试

网格参数调试主要指的是网格的数量和类型，同时要注意网格的质量，也就是单元夹角不能太小，否则会导致求解时间过长或增量步数过多而影响仿真效率。同一个模型，不同人调试，网格的数量有可能是不同的，本质原因就是看有没有对核心区域进行分割同时对网格种子进行合理分布。对于切削核心区域（包括切屑形成区域以及工件已加工表面和亚表面区域）以外的部分，一定要尽最大可能的分割掉，只有这样才能最大限度的保证最少网格数量。对于单元类型，我认为，能用六面体不用四面体，因为同样单元尺寸时四面体网格数量是六面体的3-5倍，具体要看刀具和工件的几何结构复杂程度，同时为了提高效率，单元尽量用一阶和减缩积分形式。

六

质量效率调试

切削仿真模型质量主要指的是确保仿真的效率和稳定性所需要的包括：几何模型、失效参数、网格尺寸、网格数量等各要素的耦合状态或者优化程度。这些要素既是相互独立的又是相互关联的，因此在进行模型调试时要注意各模块之间的密切联系。比如在输入工艺参数时就要考虑切削区域大小同时也要考虑后续网格的数量，同样在划分网格时也要考虑后续要考察的目标量以及观测范围，比如要考虑工件表现形貌的话，网格尺寸就要小些，要考虑切削温度时就要将单元类型设置为温度位移耦合类型等。对于切削仿真效率，这里面主要指的就是对质量缩放系数的设置和调试。质量缩放可以在一定程度上提高切削仿真效率，但是如果输入过大也会产生单元变形从而影响求解的稳定性严重时会导致计算终止，因此可以用，但是一定要慎用。

七

仿真算力调试

如果前期工作都做完了，那切削仿真模型基本就算是没问题了，但是在job里提交计算时还需要选择计算机的线程数。对于一个确定的切削仿真模型，如果打开多线程来计算，会有一定的效率提升空间。但是，也并不是线程数越高求解的效率也越高，因为线程之间会有数据传递，这样就会影响仿真效率。但是任何一个具体的模型一定都会有一个与其相适应的线程数，因此我们需要对模型的线程数进行反复调试，从而确保我们的硬件能够在切削仿真中最大限度的发挥作用，同时最大限度的避免计算机硬件资源的浪费。

八

模型边际探索

切削仿真模型一般规模都很大，这里指的主要是网格规模，一般的数量范围都在50万、100万、200万左右。那么对于大型切削仿真模型来说，会有怎样的边际特征，同时我们该怎样的判断呢？下面我们就来说一下切削仿真模型的几个“大数据”。

1. 质量缩放1000；

这个1000不是说一定要用1000的缩放系数来进行计算，而是说对于大型仿真模型的初期调试，无论质量如何我们都希望尽快的看到一个初步结果，好进行后续的调试，因此建议大家首次调试时将质量缩放设置的大些，可以1000，也可以5000，但是要注意避免网格的畸变。

2. 输出帧数1000；

大型切削仿真模型的网格数量和增量步数也必然多，因此要想得到相对圆滑的切削力曲线、观测到切削区域的微观形貌以及高清的切屑形成过程，就必须有足够多的输出帧数，当然帧数越多ODB文件也越大。

3. 网格极限1000万；

大型或者巨型切削仿真模型，网格数量也会很多，因此我们有必要知道Abaqus软件进行切削仿真时所能划分的极限网格数量。经领航科工反复测试，当网格数量超过2000万时，工作站的显存不够时就已经无法成功的划分网格了，当网格数量超过1000万时虽然依然可以成功划分网格，但是进行带温度的切削仿真求解几乎是没有可能的。一般来说，能够进行顺利的仿真求解，同时还能保证模型网格质量和观测效果的网格数量在200万左右或者以内。

4. 刀工网格数量；

切削仿真模型中，由于大多仅关注切屑和工件的特征，对于刀具仅关注应力和温度，因此工件网格应该尽可能多些，刀具网格仅在切削区域细化即可。

5. 增量步数量极限2000万；

切削仿真过程中，有时会出现增量步数量过多的提示或者报错，同时会提示建议打开双精度。这种情况大都不是真的增量步数多了，同时即使打开双精度也未必解决问题，因为主要原因很可能是刀工几何模型出了问题，这个在本文的最前面已经说过，所以这里不再赘述。对于abaqus软件来说，增量步数是有上限的，就是2000万。但是，我们的切削仿真模型，如果我们前期做了一定的简化，同时网格数量优化的很好的话，增量步数最多也就几百万，因此远远没有超过2000万，同时也是不需要打开双精度的。

6. 动能范围；

对于大直径旋转零件的切削仿真，如果再设置了一定的质量缩放系数，那么就会使得提交计算后的动能很大，一般几千到几万之间，但是如果合理规划并调试好切削仿真模型，那么动能也会很快的降下来，一般也就几十或者几百，单位和基础单位制一致。

以上我们从刀工模型、工艺参数、失效参数、网格参数以及仿真算力、效率和质量等方面对切削仿真的模型调试过程进行了系统的分析，同时结合具体工艺过程做了相关的案例讲解，希望能对初学者的模型调试过程有一定帮助。

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