一種基于多顆磨粒隨機分布的虛擬砂輪仿真方法與流程

本發明涉及一種基于多顆磨粒隨機分布的虛擬砂輪仿真方法，適用于砂輪與工件的磨削有限元仿真分析。

背景技術：

目前多數磨削仿真均以單磨粒磨削為主，未考慮多顆磨粒共同磨削時對工件的綜合影響。在砂輪實際磨削過程中，磨粒不是簡單的以單顆磨粒的形式存在，而是許多磨粒隨機的分布在砂輪表面。因此，為了能夠更真實的反應砂輪磨削過程，本發明建立了基于多顆磨粒隨機分布的虛擬砂輪模型。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題為：通過建立基于多顆磨粒隨機分布的虛擬砂輪模型，有效解決了單顆磨粒磨削仿真分析精度不高的問題，有助于模擬實際磨削加工過程中多顆磨粒共同磨削對工件的綜合影響。

本發明采用的技術方案是：一種基于多顆磨粒隨機分布的虛擬砂輪仿真方法，其實現步驟如下：

步驟(1)磨粒平均間距的確定：假設在一個邊長為2l的正方形均勻分布著若干顆磨粒，每一個小正方形頂點各有1個磨粒，則邊長為2l的正方形上等效分布的磨粒個數為4個，設砂輪磨粒密度為ρ，通過計算得到磨粒的平均間距l；

步驟(2)在多顆磨粒的建模過程中，為了不讓磨粒之間彼此產生位置重疊，可采用虛擬格子的方法，每個格子里分布一個磨粒，磨粒在格子里出現的位置是隨機的，磨粒的位置隨機分布在每個l×l的小正方形內，磨粒的隨機坐標由編程產生，格子的邊長，可根據磨粒的密度來計算；

步驟(3)將編程生成的磨粒隨機坐標輸入到三維建模軟件中，完成基于隨機分布的多磨粒虛擬砂輪建模。

進一步的，所述步驟(1)中磨粒密度ρ的測量，可利用超景深顯微鏡對砂輪的端面形貌進行拍攝，取砂輪4個不同區域拍攝若干張照片，每個圖片選取4個面積為1mm²的正方形，放大500倍后，進行統計，取其平均數，計算得到磨粒密度ρ。

進一步的，所述示步驟(3)中，磨粒綁定在結合劑上，因結合劑不參與實際磨削過程，可簡化為長方體。

本發明的原理：基于砂輪表面磨粒隨機分布的特點，利用數學模型和隨機函數，實現基于多顆磨粒隨機分布的虛擬砂輪的仿真建模。

本發明與現有技術相比的有益效果是：現有磨削仿真分析未考慮多顆磨粒的隨機分布特性與其對工件磨削時的共同作用，本發明建立了基于多顆磨粒隨機分布的虛擬砂輪模型，有效提高磨削仿真分析的計算精度，為利用有限元法研究砂輪與工件的磨削過程提供了有力參考。

附圖說明

圖1為本發明的方法流程圖；

圖2為磨粒分布示意圖；

圖3為磨粒隨機分布示意圖；

圖4為磨粒的隨機分布坐標圖；

圖5為多顆磨粒隨機分布的虛擬砂輪模型；

圖6為磨粒坐標的隨機分布示意圖；

圖7為虛擬砂輪的三維視圖。

具體實施方式

下面實施例以某型號砂輪為例，具體說明本發明的實現過程。砂輪粒度為120#。但本發明的保護范圍不限于下述實施例：

本發明一種基于多顆磨粒隨機分布的虛擬砂輪仿真方法，其具體實現步驟如下：

實例1

(1)磨粒平均間距的確定：假設在一個邊長為2l的正方形均勻分布著若干顆磨粒，如圖2所示，假設每一個小正方形頂點各有1個磨粒，則邊長為2l的正方形上等效分布的磨粒個數為4個。設砂輪粒度為120#，可得磨粒密度為40/mm^-2，通過計算可以得到磨粒平均間距l為0.03mm。

(2)磨粒坐標的確定：在多顆磨粒的建模過程中，為了不讓磨粒之間彼此產生位置重疊，可采用虛擬格子的方法，每個格子里分布一個磨粒，磨粒在格子里出現的位置是隨機的。磨粒的位置隨機分布在每個l×l的小正方形內。格子的邊長A＝474um，可根據磨粒的密度來計算；D為磨粒粒徑的大小，取D＝180um。以3×3的虛擬格子為例，磨粒的隨機分布如圖3所示。

(3)模型建模：在砂輪磨削過程中，磨粒是由結合劑粘合在一起進行工作的，而結合劑本身不參與磨削過程，可以把隨機分布的磨粒綁定在結合劑上，把結合劑簡化為長方體。

假設磨粒為圓錐體，磨粒頂端部分磨損。磨粒的隨機坐標由編程生產，將生成的坐標輸入到三維建模軟件中，完成基于多顆磨粒隨機分布的虛擬砂輪建模，如圖4、5。

綜上，通過以上流程，可以得到基于多顆磨粒隨機分布的虛擬砂輪模型，實現磨削過程的精確化模擬。本發明適用于磨削加工仿真分析，為精確獲取工件磨削加工后的力學、熱學狀態，提供了參考。

實例2

本實例中磨粒的平均間距，坐標確定和實例1中的類似，下面只說明模型建立的過程。

(1)取金剛石砂輪表面上的區域作為虛擬砂輪的原型，其中金剛石砂輪磨粒的粒度為230#，磨粒密度為前面測得的127mm^-2，公稱尺寸在50～70μm范圍內。建模時取六面體邊長為50μm。結合劑選樹脂結合劑，其形狀被簡化為長方體。擬在長方體結合劑內隨機分布4×4×1的虛擬磨粒來建立虛擬砂輪結構模型。

(2)位置和姿態隨機數的生成。基于VB編程語言中的Rnd隨機函數，在4×4×1的虛擬格子中，分別生成磨粒的隨機坐標位置(如圖6)和隨機姿態角度。

(3)在CAD軟件中，基于AUTOLISP語言，導入上述生成的隨機位置坐標，生成磨粒并實現位置的隨機分布；再導入隨機姿態角度，實現磨粒姿態的隨機分布。

(4)結合劑與磨粒的結合。首先，建立長方體結合劑模型，然后，將磨粒與結合劑粘在一起而生成虛擬砂輪整體模型。圖7所示為虛擬砂輪結構模型圖。

本發明未詳細闡述部分屬于本領域公知技術。凡采用等同變換或者等效替換而形成的技術方案，均落在本發明權利保護范圍之內。