一种数值模拟与试验结合确定高速磨床防护罩壁厚的方法与流程

本发明涉及机械工程及试验技术领域，具体涉及一种数值模拟与试验结合确定高速磨床防护罩壁厚的方法。

背景技术：

计算机模拟技术能够很好地模拟碎片冲击防护罩的过程。有限元分析的核心在于结构的离散化，当满足一定的工程精度时，其结果即可用与实际问题分析。abaqus是一款强大的工程有限元模拟软件，能够解决线性问题及诸多复杂的非线性问题。

高速磨床具有高速、高效的特点，但高速的同时也会带来一定的安全隐患。高速磨床一般需要增加外防护罩来防止工件及砂轮的崩飞。考虑到功能性、经济性及观赏性，外防护罩的壁厚应合理选择。目前并没有专门的针对高速磨床的外防护罩壁厚确定的方法。传统的选择壁厚的方式依赖于人的经验，往往不是最佳选择。而只用机器进行试验往往盲目性较高，试验效率低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种数值模拟与试验结合确定高速磨床防护罩壁厚的方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明通过数值模拟与试验相结合的方法，更加简便、较为精确地确定了防护罩壁厚。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种数值模拟与试验结合确定高速磨床防护罩壁厚的方法，包括以下步骤：

1)对防护罩样板进行三维建模，得到防护样板的三维模型，对砂轮碎片进行当量简化，建立砂轮碎片的三维模型；

2)对防护罩样板的三维模型和砂轮碎片的三维模型进行网格划分，分别获得防护罩样板和砂轮碎片的有限元模型；

3)赋予防护罩样板的有限元模型对应的材料，并建立其失效准则；

4)改变砂轮碎片的有限元模型初始速度，直到其速度达到限定值停止；

5)对防护罩样板的有限元模型和砂轮碎片的有限元模型进行冲击数值模拟，不断更改防护罩样板厚度，直到达到防护标准，其标准为砂轮碎片不能穿透防护罩样板；

6)根据步骤(5)得到防护罩样板厚度的模拟结果；

7)重复步骤1)至步骤6)，得到若干不同防护罩样板厚度的模拟结果，根据不同防护罩样板厚度的模拟结果得到防护罩样板安全厚度经验公式；

8)根据防护罩样板安全厚度经验公式即可确定其他防护罩样板壁厚。

进一步地，步骤1)中所述的防护罩样板为圆形。

进一步地，步骤1)中将砂轮碎片当量简化成球形碎片。

进一步地，步骤5)中数值模拟是运用有限元软件abaqus进行有限元分析。

进一步地，步骤7)中所述的防护罩样板安全厚度经验公式为：

其中，vmax是砂轮碎片的最大速度，m是砂轮碎片质量，δ为防护罩样板厚度，l为防护罩样板与砂轮碎片的接触周长，τ为防护罩样板材料的动态剪切强度，ρ为防护罩样板材料密度，k为修正系数。

进一步地，当所选材料为q235钢板，砂轮碎片线速度为150m/s时，防护罩样板壁厚δ＝3mm时，砂轮碎片嵌入防护罩样板中而未穿透。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过数值模拟与试验相结合的方法，简便、较为精确地确定了防护罩壁厚。首先对防护罩样板进行三维建模，并对破碎的砂轮的模型进行当量简化，建立三维模型；其次，进行网格划分，获得有限元模型；然后赋予模型对应的材料，建立失效准则；接着对两个模型进行冲击数值模拟，得到模拟结果；最后用试验验证模拟结果，确定壁厚，仅需替换防护罩样板的有限元模型的材料，即可确定不同材料下防护罩样板壁厚，提高了效率，另外通过若干次试验得到模拟公式，可以更加快捷的得到其他防护罩样板的安全厚度，该方法采用理论与实际相结合，有效避免了单纯的数值模拟运算而忽略现实因素造成的错误，也提高了试验的效率。可应用于高速磨床、高速机床、军工业中等其他有可能产生高速冲击的装备的防护装置合理壁厚的确定等抗冲击强度设计问题。

进一步地，处于对称性考虑，将防护罩样板设计为圆形，其中央区域的网格要细密划。

进一步地，现场试验时，要求侵彻方向要尽可能正，以达到最大的破坏效果，将砂轮碎片当量简化成球形碎片，侵彻效果最佳。

附图说明

图1为本发明的技术方案流程图；

图2为本发明的技术方案提供的砂轮碎片的当量简化模型；

图3为本发明的技术方案提供的防护罩样板的三维模型；

图4为本发明的技术方案提供的砂轮碎片的有限元模型；

图5为本发明的技术方案提供的防护罩样板的有限元模型；

图6为本发明的技术方案提供的模拟高速冲击弹回效果图；

图7为本发明的技术方案提供的模拟高速冲击穿透效果图；

图8为本发明的技术方案提供的模拟高速冲击嵌入效果图；

图9为本发明的技术方案提供的1mm厚q235罩板和铸铁砂轮的模拟冲击效果图；

图10为本发明的技术方案提供的1mm厚q235罩板和铸铁砂轮的实际冲击试验效果图；

图11为本发明的技术方案提供的2mm厚q235罩板和铸铁砂轮的模拟冲击效果图；

图12为本发明的技术方案提供的2mm厚q235罩板和铸铁砂轮的实际冲击试验效果图；

图13为本发明的技术方案提供的3mm厚q235罩板和铸铁砂轮的模拟冲击效果图；

图14为本发明的技术方案提供的3mm厚q235罩板和铸铁砂轮的实际冲击试验效果图；

图15为现场试验冲击装置示意图。

其中，1、空气压缩机；2、空气压力器；3、发射管道；4、冲击弹托拦截装置；5、防护板；6、激光测速仪；7、动态应变测量装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

参见图1，一种数值模拟与试验结合的确定高速磨床防护罩壁厚的方法，包括以下步骤：

1)对防护罩样板进行三维建模，对砂轮碎片的模型进行当量简化，建立三维模型，其中将砂轮碎片当量简化成球形碎片，防护罩样板为圆形，试验所用碎片为自制碎片，材料与实际砂轮一致，试验对象的参数与数值模拟对象的参数保持一致；

2)进行网格划分，获得有限元模型，网格划分时，对罩板的中央区域进行了细密的网格划分，其余部分网格划分较为粗略，运用有限元软件abaqus进行有限元分析，并对模拟结果进行了演示；

3)赋予模型对应的材料，建立失效准则；

4)改变碎片模型初始速度，直到速度到限定值停止；

5)对两个模型进行冲击数值模拟，更改罩板厚度，直到达到防护标准，其标准在于碎片不能穿透罩板；

6)得到模拟结果，通过控制变量，分别只改变材料或者碎片速度，得出防护罩壁厚δ与材料强度、碎片速度之间的离散函数；

7)试验验证模拟结果，确定壁厚；

8)替换材料，回到步骤3)，即可得到若干不同防护罩样板厚度的模拟结果，根据不同防护罩样板厚度的模拟结果得到防护罩样板安全厚度经验公式：

其中，vmax是砂轮碎片的最大速度，m是砂轮碎片质量，δ为防护罩样板厚度，l为防护罩样板与砂轮碎片的接触周长，τ为防护罩样板材料的动态剪切强度，ρ为防护罩样板材料密度，k为修正系数。

根据上述公式即可得到其他防护罩样板安全厚度。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

高速磨床对其外防护罩的强度有一定要求。外防护罩的防护合格标准主要以崩飞物件不能穿过防护罩为准，工业中通常通过改变材料强度及厚度来满足要求，材料一定时，防护罩壁厚应合理，不应过厚过薄。以最重崩飞物件恰好嵌入罩板为宜。

数值模拟与试验结合的确定高速磨床防护罩壁厚的方法的具体技术方案如下：

本发明基本流程如图1所示，包括：

1)对防护罩样板进行三维建模，对破碎的砂轮的模型进行当量简化，建立三维模型；

2)进行网格划分，获得有限元模型；

3)赋予模型对应的材料，建立失效准则；

4)改变碎片模型初始速度，直到速度到限定值停止；

5)对两个模型进行冲击数值模拟，更改罩板厚度，直到达到防护标准，其标准在于碎片不能穿透罩板；

6)得到模拟结果，演示；

7)试验验证模拟结果，确定壁厚；

8)替换材料，回到步骤3)。

其中，当碎片被罩板弹回时，如图6所示，此时减少壁厚，当碎片穿过罩板时，如图7所示，此时增加壁厚。直到碎片刚好嵌入罩板，如图8所示。

以q235罩板和铸铁砂轮为实施例。

图15为现场试验冲击装置示意图。按照简化的碎片模型加工制造的弹头安装在弹托中，空气压缩机1对空气压力器2增压，弹头和弹托在空气压力器2的高压气体作用下获得需要的速度，经过发射管道3固定其飞行方向，当其滑行至冲击弹托拦截装置4时，弹头与弹托分离，弹头由于惯性继续运动，从而冲击防护板5，弹头冲击防护板的初始速度可由激光测速仪6测出，防护板变形由动态应变测量装置7测量。

铸铁砂轮初始速度为150m/s。

模拟初选板厚1mm，模拟结果如图9所示，实际试验结果如图10所示，此时碎片穿过罩板。

选择板厚为2mm，模拟结果如图11所示，实际试验结果如图12所示，此时碎片穿过罩板。

选择板厚3mm，模拟结果如图13所示，实际试验结果如图14所示，此时碎片嵌入罩板。

最终确定q235材料的罩板壁厚为3mm。

替换不同的防护罩样板材料，即可得到若干不同防护罩样板厚度的模拟结果，根据不同防护罩样板厚度的模拟结果得到防护罩样板安全厚度经验公式：

其中，vmax是砂轮碎片的最大速度，m是砂轮碎片质量，δ为防护罩样板厚度，l为防护罩样板与砂轮碎片的接触周长，τ为防护罩样板材料的动态剪切强度，ρ为防护罩样板材料密度，k为修正系数。

利用公式计算45钢防护罩样板的厚度，其中，vmax＝160m/s，修正系数k＝3.0，τ＝436mpa，l＝47.2mm，ρ＝7850kg/m³，m＝40g，求得δ＝2.3mm，取δ＝2.5mm，将δ＝2.5mm代回验算，公式右边速度＝175.31m/s>vmax＝160m/s，与试验结果基本一致。