本發(fā)明涉及機(jī)械工程及試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)合確定高速磨床防護(hù)罩壁厚的方法。

背景技術(shù)：

計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)能夠很好地模擬碎片沖擊防護(hù)罩的過(guò)程。有限元分析的核心在于結(jié)構(gòu)的離散化，當(dāng)滿足一定的工程精度時(shí)，其結(jié)果即可用與實(shí)際問(wèn)題分析。abaqus是一款強(qiáng)大的工程有限元模擬軟件，能夠解決線性問(wèn)題及諸多復(fù)雜的非線性問(wèn)題。

高速磨床具有高速、高效的特點(diǎn)，但高速的同時(shí)也會(huì)帶來(lái)一定的安全隱患。高速磨床一般需要增加外防護(hù)罩來(lái)防止工件及砂輪的崩飛?？紤]到功能性、經(jīng)濟(jì)性及觀賞性，外防護(hù)罩的壁厚應(yīng)合理選擇。目前并沒(méi)有專門(mén)的針對(duì)高速磨床的外防護(hù)罩壁厚確定的方法。傳統(tǒng)的選擇壁厚的方式依賴于人的經(jīng)驗(yàn)，往往不是最佳選擇。而只用機(jī)器進(jìn)行試驗(yàn)往往盲目性較高，試驗(yàn)效率低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)合確定高速磨床防護(hù)罩壁厚的方法，以克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明通過(guò)數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，更加簡(jiǎn)便、較為精確地確定了防護(hù)罩壁厚。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)合確定高速磨床防護(hù)罩壁厚的方法，包括以下步驟：

1)對(duì)防護(hù)罩樣板進(jìn)行三維建模，得到防護(hù)樣板的三維模型，對(duì)砂輪碎片進(jìn)行當(dāng)量簡(jiǎn)化，建立砂輪碎片的三維模型；

2)對(duì)防護(hù)罩樣板的三維模型和砂輪碎片的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分別獲得防護(hù)罩樣板和砂輪碎片的有限元模型；

3)賦予防護(hù)罩樣板的有限元模型對(duì)應(yīng)的材料，并建立其失效準(zhǔn)則；

4)改變砂輪碎片的有限元模型初始速度，直到其速度達(dá)到限定值停止；

5)對(duì)防護(hù)罩樣板的有限元模型和砂輪碎片的有限元模型進(jìn)行沖擊數(shù)值模擬，不斷更改防護(hù)罩樣板厚度，直到達(dá)到防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)為砂輪碎片不能穿透防護(hù)罩樣板；

6)根據(jù)步驟(5)得到防護(hù)罩樣板厚度的模擬結(jié)果；

7)重復(fù)步驟1)至步驟6)，得到若干不同防護(hù)罩樣板厚度的模擬結(jié)果，根據(jù)不同防護(hù)罩樣板厚度的模擬結(jié)果得到防護(hù)罩樣板安全厚度經(jīng)驗(yàn)公式；

8)根據(jù)防護(hù)罩樣板安全厚度經(jīng)驗(yàn)公式即可確定其他防護(hù)罩樣板壁厚。

進(jìn)一步地，步驟1)中所述的防護(hù)罩樣板為圓形。

進(jìn)一步地，步驟1)中將砂輪碎片當(dāng)量簡(jiǎn)化成球形碎片。

進(jìn)一步地，步驟5)中數(shù)值模擬是運(yùn)用有限元軟件abaqus進(jìn)行有限元分析。

進(jìn)一步地，步驟7)中所述的防護(hù)罩樣板安全厚度經(jīng)驗(yàn)公式為：

其中，vmax是砂輪碎片的最大速度，m是砂輪碎片質(zhì)量，δ為防護(hù)罩樣板厚度，l為防護(hù)罩樣板與砂輪碎片的接觸周長(zhǎng)，τ為防護(hù)罩樣板材料的動(dòng)態(tài)剪切強(qiáng)度，ρ為防護(hù)罩樣板材料密度，k為修正系數(shù)。

進(jìn)一步地，當(dāng)所選材料為q235鋼板，砂輪碎片線速度為150m/s時(shí)，防護(hù)罩樣板壁厚δ＝3mm時(shí)，砂輪碎片嵌入防護(hù)罩樣板中而未穿透。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明通過(guò)數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，簡(jiǎn)便、較為精確地確定了防護(hù)罩壁厚。首先對(duì)防護(hù)罩樣板進(jìn)行三維建模，并對(duì)破碎的砂輪的模型進(jìn)行當(dāng)量簡(jiǎn)化，建立三維模型；其次，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，獲得有限元模型；然后賦予模型對(duì)應(yīng)的材料，建立失效準(zhǔn)則；接著對(duì)兩個(gè)模型進(jìn)行沖擊數(shù)值模擬，得到模擬結(jié)果；最后用試驗(yàn)驗(yàn)證模擬結(jié)果，確定壁厚，僅需替換防護(hù)罩樣板的有限元模型的材料，即可確定不同材料下防護(hù)罩樣板壁厚，提高了效率，另外通過(guò)若干次試驗(yàn)得到模擬公式，可以更加快捷的得到其他防護(hù)罩樣板的安全厚度，該方法采用理論與實(shí)際相結(jié)合，有效避免了單純的數(shù)值模擬運(yùn)算而忽略現(xiàn)實(shí)因素造成的錯(cuò)誤，也提高了試驗(yàn)的效率?？蓱?yīng)用于高速磨床、高速機(jī)床、軍工業(yè)中等其他有可能產(chǎn)生高速?zèng)_擊的裝備的防護(hù)裝置合理壁厚的確定等抗沖擊強(qiáng)度設(shè)計(jì)問(wèn)題。

進(jìn)一步地，處于對(duì)稱性考慮，將防護(hù)罩樣板設(shè)計(jì)為圓形，其中央?yún)^(qū)域的網(wǎng)格要細(xì)密劃。

進(jìn)一步地，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，要求侵徹方向要盡可能正，以達(dá)到最大的破壞效果，將砂輪碎片當(dāng)量簡(jiǎn)化成球形碎片，侵徹效果最佳。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的技術(shù)方案流程圖；

圖2為本發(fā)明的技術(shù)方案提供的砂輪碎片的當(dāng)量簡(jiǎn)化模型；

圖3為本發(fā)明的技術(shù)方案提供的防護(hù)罩樣板的三維模型；

圖4為本發(fā)明的技術(shù)方案提供的砂輪碎片的有限元模型；

圖5為本發(fā)明的技術(shù)方案提供的防護(hù)罩樣板的有限元模型；

圖6為本發(fā)明的技術(shù)方案提供的模擬高速?zèng)_擊彈回效果圖；

圖7為本發(fā)明的技術(shù)方案提供的模擬高速?zèng)_擊穿透效果圖；

圖8為本發(fā)明的技術(shù)方案提供的模擬高速?zèng)_擊嵌入效果圖；

圖9為本發(fā)明的技術(shù)方案提供的1mm厚q235罩板和鑄鐵砂輪的模擬沖擊效果圖；

圖10為本發(fā)明的技術(shù)方案提供的1mm厚q235罩板和鑄鐵砂輪的實(shí)際沖擊試驗(yàn)效果圖；

圖11為本發(fā)明的技術(shù)方案提供的2mm厚q235罩板和鑄鐵砂輪的模擬沖擊效果圖；

圖12為本發(fā)明的技術(shù)方案提供的2mm厚q235罩板和鑄鐵砂輪的實(shí)際沖擊試驗(yàn)效果圖；

圖13為本發(fā)明的技術(shù)方案提供的3mm厚q235罩板和鑄鐵砂輪的模擬沖擊效果圖；

圖14為本發(fā)明的技術(shù)方案提供的3mm厚q235罩板和鑄鐵砂輪的實(shí)際沖擊試驗(yàn)效果圖；

圖15為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)沖擊裝置示意圖。

其中，1、空氣壓縮機(jī)；2、空氣壓力器；3、發(fā)射管道；4、沖擊彈托攔截裝置；5、防護(hù)板；6、激光測(cè)速儀；7、動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量裝置。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參見(jiàn)圖1，一種數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)合的確定高速磨床防護(hù)罩壁厚的方法，包括以下步驟：

1)對(duì)防護(hù)罩樣板進(jìn)行三維建模，對(duì)砂輪碎片的模型進(jìn)行當(dāng)量簡(jiǎn)化，建立三維模型，其中將砂輪碎片當(dāng)量簡(jiǎn)化成球形碎片，防護(hù)罩樣板為圓形，試驗(yàn)所用碎片為自制碎片，材料與實(shí)際砂輪一致，試驗(yàn)對(duì)象的參數(shù)與數(shù)值模擬對(duì)象的參數(shù)保持一致；

2)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，獲得有限元模型，網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)罩板的中央?yún)^(qū)域進(jìn)行了細(xì)密的網(wǎng)格劃分，其余部分網(wǎng)格劃分較為粗略，運(yùn)用有限元軟件abaqus進(jìn)行有限元分析，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了演示；

3)賦予模型對(duì)應(yīng)的材料，建立失效準(zhǔn)則；

4)改變碎片模型初始速度，直到速度到限定值停止；

5)對(duì)兩個(gè)模型進(jìn)行沖擊數(shù)值模擬，更改罩板厚度，直到達(dá)到防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)在于碎片不能穿透罩板；

6)得到模擬結(jié)果，通過(guò)控制變量，分別只改變材料或者碎片速度，得出防護(hù)罩壁厚δ與材料強(qiáng)度、碎片速度之間的離散函數(shù)；

7)試驗(yàn)驗(yàn)證模擬結(jié)果，確定壁厚；

8)替換材料，回到步驟3)，即可得到若干不同防護(hù)罩樣板厚度的模擬結(jié)果，根據(jù)不同防護(hù)罩樣板厚度的模擬結(jié)果得到防護(hù)罩樣板安全厚度經(jīng)驗(yàn)公式：

其中，vmax是砂輪碎片的最大速度，m是砂輪碎片質(zhì)量，δ為防護(hù)罩樣板厚度，l為防護(hù)罩樣板與砂輪碎片的接觸周長(zhǎng)，τ為防護(hù)罩樣板材料的動(dòng)態(tài)剪切強(qiáng)度，ρ為防護(hù)罩樣板材料密度，k為修正系數(shù)。

根據(jù)上述公式即可得到其他防護(hù)罩樣板安全厚度。

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述：

高速磨床對(duì)其外防護(hù)罩的強(qiáng)度有一定要求。外防護(hù)罩的防護(hù)合格標(biāo)準(zhǔn)主要以崩飛物件不能穿過(guò)防護(hù)罩為準(zhǔn)，工業(yè)中通常通過(guò)改變材料強(qiáng)度及厚度來(lái)滿足要求，材料一定時(shí)，防護(hù)罩壁厚應(yīng)合理，不應(yīng)過(guò)厚過(guò)薄。以最重崩飛物件恰好嵌入罩板為宜。

數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)合的確定高速磨床防護(hù)罩壁厚的方法的具體技術(shù)方案如下：

本發(fā)明基本流程如圖1所示，包括：

1)對(duì)防護(hù)罩樣板進(jìn)行三維建模，對(duì)破碎的砂輪的模型進(jìn)行當(dāng)量簡(jiǎn)化，建立三維模型；

2)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，獲得有限元模型；

3)賦予模型對(duì)應(yīng)的材料，建立失效準(zhǔn)則；

4)改變碎片模型初始速度，直到速度到限定值停止；

5)對(duì)兩個(gè)模型進(jìn)行沖擊數(shù)值模擬，更改罩板厚度，直到達(dá)到防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)在于碎片不能穿透罩板；

6)得到模擬結(jié)果，演示；

7)試驗(yàn)驗(yàn)證模擬結(jié)果，確定壁厚；

8)替換材料，回到步驟3)。

其中，當(dāng)碎片被罩板彈回時(shí)，如圖6所示，此時(shí)減少壁厚，當(dāng)碎片穿過(guò)罩板時(shí)，如圖7所示，此時(shí)增加壁厚。直到碎片剛好嵌入罩板，如圖8所示。

以q235罩板和鑄鐵砂輪為實(shí)施例。

圖15為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)沖擊裝置示意圖。按照簡(jiǎn)化的碎片模型加工制造的彈頭安裝在彈托中，空氣壓縮機(jī)1對(duì)空氣壓力器2增壓，彈頭和彈托在空氣壓力器2的高壓氣體作用下獲得需要的速度，經(jīng)過(guò)發(fā)射管道3固定其飛行方向，當(dāng)其滑行至沖擊彈托攔截裝置4時(shí)，彈頭與彈托分離，彈頭由于慣性繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，從而沖擊防護(hù)板5，彈頭沖擊防護(hù)板的初始速度可由激光測(cè)速儀6測(cè)出，防護(hù)板變形由動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量裝置7測(cè)量。

鑄鐵砂輪初始速度為150m/s。

模擬初選板厚1mm，模擬結(jié)果如圖9所示，實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，此時(shí)碎片穿過(guò)罩板。

選擇板厚為2mm，模擬結(jié)果如圖11所示，實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示，此時(shí)碎片穿過(guò)罩板。

選擇板厚3mm，模擬結(jié)果如圖13所示，實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示，此時(shí)碎片嵌入罩板。

最終確定q235材料的罩板壁厚為3mm。

替換不同的防護(hù)罩樣板材料，即可得到若干不同防護(hù)罩樣板厚度的模擬結(jié)果，根據(jù)不同防護(hù)罩樣板厚度的模擬結(jié)果得到防護(hù)罩樣板安全厚度經(jīng)驗(yàn)公式：

其中，vmax是砂輪碎片的最大速度，m是砂輪碎片質(zhì)量，δ為防護(hù)罩樣板厚度，l為防護(hù)罩樣板與砂輪碎片的接觸周長(zhǎng)，τ為防護(hù)罩樣板材料的動(dòng)態(tài)剪切強(qiáng)度，ρ為防護(hù)罩樣板材料密度，k為修正系數(shù)。

利用公式計(jì)算45鋼防護(hù)罩樣板的厚度，其中，vmax＝160m/s，修正系數(shù)k＝3.0，τ＝436mpa，l＝47.2mm，ρ＝7850kg/m³，m＝40g，求得δ＝2.3mm，取δ＝2.5mm，將δ＝2.5mm代回驗(yàn)算，公式右邊速度＝175.31m/s>vmax＝160m/s，與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。