水泥混凝土切削过程仿真_黄霞春

Dynamic Model of Concrete Cutting Process
HUANG Xia-chun1, TANG Juan2, XING Guo3 ( 1.Hunan Vocational Institute of technology, Xingtan Hunan 411105,China; 2.Changsha Zoomlion Heavy Industry Science & Technology Development Co., Ltd., Changsha 410013,China;
《装备制造技术》2012 年第 7 期
水泥混凝土切削过程仿真
黄霞春 1，唐 娟 2，邢 国 3
（1. 湖南理工职业技术学院，湘潭 411104；2. 长沙中联重科科技发展有限公司，长沙 410013； 3. 常德烟草机械有限公司, 常德 415000）
摘 要：根据混凝土率相关连续损伤本构理论，建立了铣刨机铣削水泥混凝土的有限元模型，对不同切削深度下的水泥 混凝土的切削温度、应力、应变分布情况以及切削总热能进行了有效的仿真。随着切削深度的增大，水泥混凝土路面 Mises 等效应力变化很小，维持在 940MPa 附近，但距离刀尖越近的地方应力越集中；水泥混凝土的应变随切削深度的变 化较小，在 1.1 附近波动，故铣刨机铣削水泥混凝土也可以从剪切应变失效这方面进行研究；切削温度随着切削深度的 增大而不断升高，且前角的温度要高出后角温度。 关键词：铣刨机；ABAQ U S；水泥混凝土；切削
中图分类号：U415
文献标识码：A
文章编号：1672- 545X（2012）07- 0243- 04
随着我国经济的发展，综合国力的增强，乡镇城 市化、中小城市大型化、大中城市花园化的趋势日渐 明显，城市道路的改扩建工程也越来越多。在这种形 势下，公路养护工作也变得日益繁重，对公路养护作 业的质量提出了更高的要求，现代化的机械养护作 业方式势在必行。
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图 4c 40mm 切深时的等效应力云图
（2）切削深度对应变的影响 在保持其它参数条件不变的情况下，图 5 是铣 刨机分别以 20mm、30mm 和 40mm 为切削深度进行 模拟情况下的刀尖处水泥混凝土的应变图。
2 结果与分析
2.1 切削深度对切削的影响 （1）切削深度对应力的影响 在保持其它参数条件不变的情况下，分别以
第一 表面
第一表面 第二表面
图 2 刀头与路面的接触对 图 3 铣刨筒与路面的接触对
（1）边界条件和温度场 选中相关节点，对路面施加约束，分别限制路面 底边的六个自由度 （U1 = U2 = U3 = UR1 = UR2 = UR3 = 0）和路面左右两边的 3 个自由度（U1 = UR2 =
收稿日期：2012- 04- 26 作者简介：黄霞春（1969—），女，湖南湘潭人，副教授，主要从事机械制造及其自动化专业研究。
0. 0.00
图 7c
0.05
0.10
Time（S）
0.15 [x1，E- 3]
40mm 切深时的的总热能变化情况
由图 7 可知，整个模型的总热能随着切削深度 的增加而快速增大，这是因为随着切削深度的增加， 刀头处水泥混凝土受到的拉伸和压缩的程度就越 大，铣刨机要做的功就越多，因此产生的热能就越 大，输出的热能就越多。
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图 4b 30mm 切深时的等效应力云图
244
图 5c 40cm 切深时的等效应变云图
表 1 不同深度下的刀头前端水泥混凝土应变值
切削深度(mm) εXX εYY εXY
等效应变
20 - 0.729 8
0.683 9 - 1.213
1.056
30 - 0.767 5
0.800 2 - 1.116
1.106
1 建模
Y ZX
铣刨筒 基座 刀头
图 1 切削路面的有限元几何模型
1.2 定义接触 在切削过程中定义两个接触对，分别是刀头与
路面的接触对和铣刨鼓与路面的接触对。刀头与路 面的接触对选择刀头及基座作为第一表面，路面节 点为第二表面；铣刨鼓与路面的接触对选择铣刨鼓 的外表面作为第一表面，路面节点作为第二表面。两 个接触对都采用运动接触法和有限滑移公式，摩擦 系数为 0.5 的切向行为，如图 2 和图 3 所示。
3.Changde Tobacco Machinery Co. Ltd., Changde Hunan 415000,China )
Abstract: According to rate-dependent continuum damage concrete constitutive theory, a millingmachine milling concrete finite element model, under different depth of cut concrete cutting temperature, stress, strain distribution and the total cutting energy for an effective simulation. As the cutting depth increases, the cement concrete pavement Mises equivalent stress is very small, maintained at 940MPa nearby, but away from the more recent tip places morestress concentration; cement concrete strain with small changes in depth of cut, 1.1fluctuations in the vicinity, so the milling machine milling concrete shear failure can alsoconduct research in this area; cutting temperature increases with the depth of cut of the rising, and the temperature is higher than the former horn of the posterior horn of the temperature. Key words: cutting machine; ABAQUS; concrete; cutting !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
243
Equipment Manufactring Technology No.7，2012
UR3 = 0）；同时限制刀头、基座和铣刨鼓在 X 和 Y 方 向上的自由度，只允许它们绕 Z 轴逆时针旋转。
（2）定义温度场 在初始分析不添加切削温度场，通过编辑区域 常数来设定温度场，方式为直接选取路面和刀具的 所有节点，设置温度为 20℃。 （3）其他参数 水泥混凝土的弹性模量 2 000MPa，泊松比 0.2， 密度 2 400kg/m3，抗拉强度 1.4MPa，抗压强度 14MPa， 应变率 10-1 s -1，硬化指数 0.27，参考温度 20℃。由于 设置了铣刨鼓、基座和刀头为刚性，故可不赋予属 性，所以本文没有赋予它们属性。设置刀具与水泥混 凝土路面之间的摩擦系数为 0.5，分布在水泥混凝土 路面上的换热百分比为 40%，由摩擦产生的耗散能 百分比为 10%。 论文结合 Johnson- Cook、shear failure 失效准则和 任意拉格朗日 - 欧拉描述法(ALE)对水泥混凝土分别 进行切削深度为 20mm、30mm、40mm 的切削仿真[9-10]。
40 - 0.857 7
0.882 4 - 1.142
1.021
由表 1 可知，不同深度下的应变值、、和等效应 变几乎没有变化，这说明水泥混凝土的应变不随着 切削深度的变化而变化，故铣刨机铣削水泥混凝土 也可以从剪切应变失效这方面进行研究。
（3）切削深度对切削温度的影响 在保持其它参数条件不变的情况下，图 6 是铣 刨机分别以 20mm、30mm、40mm 为切削深度进行模 拟情况下的刀尖处水泥混凝土的温度图。
400.
300. 200.
100. 0. 0.00
图 7b
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Time（S）
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30mm 切深时的总热能变化情况
800.