面向高速切削的难加工材料动态力学性能物理数据研究

This project is focused to high-strength steel T250 and SiCp/Al composites, and the study includes macroscopic constitutive model and damage fracture failure model of high strength steel in high speed cutting, the microscopic damage model based on multiple damage mechanisms and EHM model of dynamic mechanical properties of SiCp/Al composites, 2D/3D cutting simulation based on developed traditional J-C/ corrected J-C/ multiphase/EHM constitutive models and the database construction of constitutive model and material damage fracture failure model for the high-speed and high-precision machining..The prediction error of J-C constitutive model and flaws of fracture damage failure model parameters which result in the difficulty in accurately predicting the chip’s morphological changes were reduced by establishing the corrected J-C model and J-C damage fracture failure model; the EHM constitutive model of SiCp / Al composites that reflects the correlation between flow stress and various parameters of reinforced phase and the micro-damage model which reflects the mechanisms of particle detachment and fracture in high-speed cutting are established and determined; sequentially the reliable physical data of difficult-to-machine materials with material dynamic mechanical properties are provided for the second part of the National Natural Science Foundation cluster Project on cutting database “Basic Model Physical Data” and the basis of database construction are founded by researching the basic problem on constitutive model and material damage fracture failure model.

针对高强度钢T250和SiCp/Al复合材料，围绕高速高精度切削加工，开展面向高速切削的高强度钢材料宏观本构和材料损伤断裂失效模型、SiCp/Al复合材料基于多损伤机制的微观损伤模型和动态力学特性的EHM模型、基于经典J-C/J-C修正/多相/EHM本构模型的二/三维切削仿真和材料本构与损伤断裂模型的数据库构建基础问题研究等方面的研究。通过建立J-C修正模型和J-C损伤断裂失效模型，减小J-C本构模型的预测误差，以及损伤断裂失效模型参数难以准确预测切屑形态变化的缺陷；建立和确定能够反映SiCp/Al复合材料的流变应力与增强相多种参数之间相关性的EHM本构模型，以及反映高速切削颗粒脱粘和断裂等加工机理的材料微损伤模型；从而为国家自然科学基金数据库群项目第二部分“切削物理基础模型数据”提供典型难加工材料的可靠的材料动态力学特性物理数据，并通过对材料本构与损伤断裂模型的数据库构建基础问题研究构建

在航空航天、兵器和汽车等高端产业，新难加工材料在高精尖产品中的推广应用和加工精度要求的不断提高为制造业带来了极大的挑战，新难加工材料的高效精密加工普遍存在理论欠缺、技术不成熟、经验数据少等问题。而在当今“智能制造”时代，仿真技术已经成为新难加工材料高效高精度加工机理研究和技术发展的有效工具，建立可靠的面向切削加工的材料动态力学模型是开展切削仿真研究、提高切削仿真精度的前提。本课题以航空航天和兵器领域的典型难加工材料高强度钢T250、45CrNiMoVA和SiCp/Al复合材料为研究对象，开发了“基于相关性集成的唯象本构建模方法以及基于多权重的本构模型材料参数拟合的多目标优化方法”，突破了加工仿真云端服务平台的核心技术。面向高速切削开发了高强度钢45CrNiMoVA的相关性塑性本构；高强度钢T250的相变致应变软化塑性本构；高强度钢材料损伤断裂J-C和修正J-C的失效模型；提出了 基于数字图像分析技术的微观结构图像像素-有限元网格映射方法，建立了SiCp/Al复合材料从离散原子尺度到细观尺度的分层多尺度微损伤演化模型；基于多损伤机制的SiCp/Al 复合材料微观损伤概率分布, 提出了含有损伤演化项的SiCp/Al复合材料EHM本构模型；开展了车/铣/钻的二/三维切削仿真研究。本课题突破的相关技术极大地提高了难加工材料在高速切削条件下的动态力学特性和损伤失效特性的建模精度，为国家自然科学基金数据库群项目第二部分“切削物理基础模型数据”提供典型难加工材料的可靠的材料动态力学特性物理数据，准确可靠地揭示难加工材料在高效高精度切削中的机理和特性规律，对于产品制造加工工艺的优化，推进先进加工理论和技术的发展具有重要意义。