用于金属切削的粒子有限元方法、ALE方法和SPH方法比较以及求解器开发

基于粒子有限元方法(Probabilistic Finite Element Method,PFEM)开发了金属切削粒子有限元求解器,用于测试二维和三维垂直切削算例。三维切削可以直接用于复杂结构,并和ALE方法和SPH方法做了原理性比较。PFEM方法目前尚无公开的商业和开源软件,但表现出了良好的自由边界跟踪效果,可以直接使用有限元方法的边界条件和接触算法。目前,计算机算力很强,弥补了PFEM方法作为无网格方法存在的计算效率缺陷。PFEM同时兼具无网格方法和有网格方法的优点。作为无网格方法,它避免了ALE方法在紊乱网格和规则网格之间区域重分算法和守恒算法的复杂性;作为有网格方法,它避免了SPH方法在邻近点和边界条件上的缺陷。后续工作会针对非均匀网格边界重构、网格自适应、并行计算和三维复杂切削展开进一步研究。

基于粒子有限元法的金属切削工艺仿真软件研究

金属切削是一个复杂的工艺过程,包含了复杂的瞬态热力耦合自由边界问题。开发金属切削工艺仿真软件时,首先采用粒子有限元法开发了切削力学求解器,其次采用生死单元法开发了材料去除残余应力和变形求解器,最后在求解器的基础上进一步开发完整的工艺仿真软件。金属切削工艺仿真软件是一个复杂的系统,包括工艺研发和生产现场两个部分。其中,工艺研发包括切削机理计算与材料去除残余应力和变形计算。生产现场包括工艺MBSE、机床系统仿真和前后处理,其中前后处理的研发难度不亚于求解器。开发金属切削工艺仿真软件的最大难点是成本和周期。通过研究开源软件的核心技术,验证了基于开源软件可以有效降低开发成本和周期,并可以达到工业级软件的水平。该软件建立了统一的几何模型和物理模型的数据结构,建立了统一的数据可视化引擎。此外,还介绍了仿真软件系统集成的3个核心技术。