基于有限元方法的磨料流加工数值模拟研究

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磨料流加工技术,又称挤压珩磨,它主要是在一定压力的作用下,强迫承载有磨粒的粘弹性高分子载体流过被加工零件的表面,使其内部包含的磨粒在被加工零件的表面产生滑动作用,进而利用磨粒的刮削作用来去除工件表面微观不平材料的一种工艺方法。应用磨料流加工技术能很好的对较复杂的表面和型腔以及工件较隐蔽的部位,如微孔、窄缝、交叉孔等进行抛光、去毛刺等加工,而且加工效率高,加工质量好,可加工的材料范围广。因此该项技术已经被人们广泛应用到各种行业领域中。但是,由于影响其加工效果的因素较多,对其加工机理的研究变得非常困难。目前对磨料流加工技术的研究还主要依靠实验手段来完成。要建立和完善磨料流加工机理理论和弄清不同因素对磨料流加工效果的影响等问题,必须通过大量实验,然后在实验数据的基础上进行总结和对比,这就延长了研究周期,而且实验有时还受客观条件的限制缺乏可操作性。然而近年来由于流体动力学及相关数值模拟软件的发展,使得人们在计算机上就可以实现对各种流体流动的分析,而且因其不受物理和实验条件的限制,所以现在人们更多的来借助于计算机完成对流体流动分析,不仅省钱省时,而且其可视化界面,可以使得对其分析结果的显示更加直观形象。本文就是在前人对磨料流加工技术理论和实验研究的基础上,利用目前应用广泛的流体分析软件—FLUENT软件,对磨料流加工过程进行了数值模拟分析方法的初步探索,试图寻求一种有效的有限元方法来对磨料流加工过程进行数值模拟计算,以节省磨料流加工技术实验研究的成本和缩短其研究周期,并为磨料流加工定量分析提供方法依据。本文的主要研究内容有:首先,通过对磨料流加工过程及其加工原理的深入了解,以实际加工中常见的圆孔类工件为研究对象,将磨料流加工过程中流体磨料所流经的流场简化为一个二维轴对称的物理模型,并利用GAMBIT将其进行了结构化网格划分,建立了磨料流加工过程模拟的有限元模型。其次,使用流体分析软件FLUENT对磨料流加工过程的数值模拟方法进行了初步探索。数值模拟分析时采用上述所建立的有限元模型,并利用FLUENT软件中所提供的Non-newtonian-power-law材料模型来描述流体磨料的性质,然后通过软件中求解参数的不同组合设置对磨料流加工数值模拟方法进行了试验性研究,最终确定了FLUENT软件中2D单精度压力基隐式定常求解,湍流模型选用重组化群κ-ε模型(RNGκ-ε模型),在近壁面区采用增强壁面处理方法,固壁面采用无滑移边界条件的求解参数组合。之后又利用以上所确立的求解设置分别对压力进口条件和速度进口条件下的磨料流加工进行了数值模拟分析,模拟结果表明压力进口条件下的分析结果比较符合实际加工,并对压力进口条件下的数值模拟结果与实验所测结果进行了对比,证明在一定程度上可以利用以上方法来对磨料流加工过程中圆孔类工件进出口间的总压降进行预测,为磨料流进一步的数值模拟研究提供了方法依据。最后,由于在磨料流对圆孔类工件加工的理论研究中,圆孔两端间的压力差是影响磨料流加工效果的重要因素之一,因此采用上述所确立的模型和方法,对磨料流加工中流体磨料的粘度、流体磨料的工作压力以及被加工圆孔工件的孔径三个影响因素分别做了数值模拟分析,并对不同因素对圆孔工件通道内压力和速度分布的影响规律进行了分析和探讨,为磨料流加工参数的选择提供了参考依据。
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