答辩博士：王洋
指导教师：苏宏华 教授
论文题目：面向切削加工过程物理仿真的有限元前处理关键技术研究
答辩委员会：
主席：汤文成 教授/博导 东南大学
委员：谭业发 教授/博导 陆军工程大学
傅玉灿 教授/博导 南京航空航天大学
朱增伟 教授/博导 南京航空航天大学
安鲁陵 教授/博导 南京航空航天大学
丁文锋 教授/博导 南京航空航天大学
苏宏华 教授/博导 南京航空航天大学
秘书：陆俊华副教授/硕导 南京航空航天大学
时间： 2022年3月4日09:30
地点： 南航明故宫校区15号楼341会议室
学位论文简介：
有限元仿真作为加工制造场景下的数字孪生及智能制造系统的关键环节和核心技术，被广泛应用于揭示加工过程各种物理现象、预测加工质量、优化工艺、获取零件理想尺寸等方面的研究。有限元仿真运算效率和求解精度的高低与网格类型、网格密度、节点数、节点位置等因素息息相关。目前，航空航天等领域的零件日趋大型化、轻量化、复杂化和整体化，使得该类零件的切削加工过程有限元仿真的精度与效率难以兼顾的问题日趋严峻，合理的网格划分显得愈发重要。有鉴于此，本文重点从提高切削加工过程仿真运算效率的角度出发，在物理量梯度变化较大的切削区域采用局部网格动态细化技术，减少参与计算的网格总数。并且在物理仿真中引入几何仿真中的刀具扫描体建模方法，结合局部网格动态细化技术、“生死”单元技术、物理场传递技术和动态载荷施加技术，实现了在保证求解精度的基础上，显著提高了切削加工过程仿真的运算效率。
论文完成的主要工作及取得的成果如下：
（1）通过理论与仿真相结合的方法，明确六面体单元是切削加工过程有限元分析的首选单元，且建立了不同网格尺寸的切削加工有限元仿真模型，确定了网格尺寸合理范围为0.0075 mm~0.01 mm，即在进给方向上的网格数约为切厚ac的1/10，能保证在最经济的计算成本下 ，达到理想仿真精度；根据切削加工特点，基于几何判断法设置了长方体密度框与扇环体密度框，对细化区域进行判断。并基于ABAQUS仿真求解器，采用Python语言进行程序脚本开发，通过实例，验证了局部网格动态细化算法的有效性。
（2）采用插值与形函数相结合的方法，完成了局部网格细化前后新旧物理场的传递。将基于后验物理变量判断法的分级细化技术和多点约束法MPCs相结合，解决了粗细网格过渡出现悬节点以及物理场不连续问题。在此基础上，建立了基于局部网格动态细化技术的铣削和车削加工三维有限元仿真模型，验证了仿真过程中网格细化前后物理场传递的精确性，传递误差小于5.5%；相同条件下，在运算效率方面，局部网格动态细化模型相较于局部细化模型，运算效率提升了110%以上；在求解精度方面，局部网格动态细化模型相较于全局细化网格模型，计算精度误差小于3.5%。验证了应用本文设计的局部网格动态细化技术进行仿真的高效性和准确性。
（3）提出了运用切削加工过程几何仿真中的刀具扫描体建模、刀轨识别和离散与物理仿真中的“生死”单元技术以及动态加载技术相结合的方法，用于真实模拟切削加工全过程。重点研究了基于高斯映射法的通用刀具扫描体建模方法，建立了刀位离散点之间刀具扫描体包络面方程，将奇偶判别法与“生死”单元相结合，完成材料基于刀具几何形状的准确去除和动态载荷施加过程。利用Python语言基于有限元分析软件ABAQUS完成相应的算法脚本程序开发。通过平面铣削过程仿真实例，验证了算法程序的有效性。在相同条件下，对比局部网格动态细化的模型与全局细化网格模型，在保证仿真求解精度误差仅为0.29%的情况下，仿真效率提高了219.5%，再次验证了局部网格动态细化技术的高效性。
（4）开展了有限元前处理关键技术，在薄壁机匣加工变形预测仿真中的应用研究。建立了薄壁机匣数控加工整体变形预测仿真模型，并通过二次开发，完成数控刀轨的读取与离散、细化区域判断、局部网格动态细化、动态载荷施加和物理场传递等过程。相比全局网格细化模型，局部网格动态细化模型运算效率提高了约128%。开展了薄壁机匣数控加工验证实验，仿真预测的整体最大变形量为0.027 mm，位置位于机匣大端端口位置，与实际加工出现最大变形的位置一致。此外，仿真预测机匣零件加工仿真后的大端圆度误差约为0.083 mm，小端圆度误差约为0.072 mm。相同条件下，试验测量获得大端平均圆度误差为0.074 mm，小端平均圆度误差为0.064 mm，均达技术指标，仿真预测值与试验测量值之间的最大误差约为12.5%。验证了仿真模型的准确性和算法的有效性。
主要创新点如下：
（1）提出了切削加工仿真网格动态细化区域的几何判断法，解决了基于直线刀轨和圆弧刀轨的构件切削加工仿真中网格细化区域的选择问题，为实现切削加工过程仿真中的局部网格动态细化提供了技术支撑。
（2）采用基于后验物理变量判断法的分级细化结合MPCs多点约束法的方法，确定了分级细化范围和网格尺寸，解决了相邻粗细网格过渡时产生悬节点和受限于过渡网格尺寸比的问题，进一步降低了仿真过程中同时参与求解计算的网格数量，并同时解决了粗细网格之间由于尺寸相差过大而导致的物理场不连续的问题，实现了粗细网格之间的物理场逐级平滑过渡。
（3）将几何仿真中的基于高斯映射原理的刀具扫描体建模方法引入至物理仿真中，提出了包含：局部网格动态细化、分级细化、新旧物理场传递、刀轨识别和离散、刀具扫描体建模、“生死”单元、动态加载的仿真综合方法，避免了以往由预设“生死”单元造成的材料去除体积误差的弊端，在保证求解精度基础上，显著提高了仿真运算效率。
（4）采用Python语言基于ABAQUS仿真求解器，开发了切削加工过程物理仿真前处理关键技术的脚本程序包，避免了仿真前处理繁杂的人工操作，脚本程序包实现了局部网格动态细化、新旧物理场传递、分级细化判断、刀具扫描体与“生死”单元的位置判断、动态加载过程等前处理工作的全自动化，显著提高了切削加工过程物理仿真的前处理效率。
