金属切削有限元仿真软件AdvantEdge FEM用户手册

本书主要介绍了金属切削仿真专用软件AdvantEdgeFEM的主要功能及其基本原理，包括二维/三维仿真工艺模型及其参数设置、材料模型的建立及其应用、网络参数及其重划参数设置、仿真结果的后处理等模块。可供相关研究开发人员学习AdvantEdgeFEM软件使用，或者作为其他切削数值仿真软件学习的参考书。

姜峰，1981年12月出生，工学博士，现任职华侨大学脆性材料加工技术*工程中心，副教授。2000—2004年，山东大学机械工程学院获学士学位；2007—2008年，作为联合培养博士赴美国伍斯特理工学院(Worcester Polytechnic Institute)材料加工中心学习一年；2004—2009年，山东大学机械工程学院获工学博士学位；2010—2012年在清华大学精密仪器与机械学系从事博士后科研工作。主要研究方向为精密超精密加工工艺及其工具，2006年开始将AdvantEdge软件应用于科研工作中。主要学术和兼职工作包括厦门市光电材料加工重点实验室副主任，《现代制造工程》杂志编委，厦门金鹭特种合金有限公司、福建晶安光电技术公司技术顾问。主持国家自然科学基金面上项目1项，国家自然科学基金青年基金项目1项、福建省产学研合作重大研究项目1项、厦门市产学研科技计划项目1项，博士后科学基金特别资助项目1项，博士后科学基金面上项目1项，国家重点实验室开放基金项目2项；主持企业横向课题20余项；作为核心成员参与重大专项04专项项目1项。获得山东省科技进步奖二等奖1项（第5位/共10位），福建省高等教育省级教学成果奖一等奖1项（第3位/共8位）。以作者或通讯作者发表论文40余篇，获授权发明专利20余项。

李宏伟，1975年3月出生。1992—1996年，湖南大学力学专业获学士学位；1996—1999年，青岛四方机车车辆厂进行机车车辆强度分析工作；1999—2008年，北京通力有限公司，CAE咨询部经理，主管Ideas软件、NX Nastran软件和Third Wave软件的销售和技术服务。2009年创立北京澳森拓维科技有限公司，公司作为Third Wave Systems软件在大中国区的总代理，负责Third Wave Systems系列软件的推广及销售。

AdvantEdge FEM引言 //1

第2章 入门—2D仿真　// 8
1.1　打开 AdvantEdge FEM　// 8
1.2　确定加工类型　// 8
1.2.1　车削　// 8
1.2.2　铣削　// 9
1.2.3　锯削　// 9
1.2.4　拉削　// 9
1.3　图形用户界面（GUI）　// 10
1.4　选择单位制　// 10
1.5　设置参数　// 11

第2章 入门—3D仿真　// 12
2.1　打开 AdvantEdge FEM　// 12
2.2　确定加工类型　// 12
2.2.1　车削　// 13
2.2.2　铣削　// 14
2.2.3　钻孔　// 14
2.2.4　螺旋铣孔　// 14
2.3　图形用户界面（GUI）　// 15
2.4　选择单位　// 18
2.5　设置参数　// 18

第3章 刀具参数—2D仿真　// 19
3.1　标准刀具　// 19
3.2　自定义刀具　// 19
3.2.1　绘制或导入自定义刀具几何形状　// 20
3.2.2　编辑自定义刀具几何形状　// 20
3.2.3　编辑边界点 /刀具切削刃钝圆半径　// 21
3.2.4　添加 /删除刀具边界点　// 21
3.2.5　设置边界条件　// 21
3.3　刀具动态特性输入　// 22
3.3.1　椭圆刀具振动和振动辅助加工　// 22
3.3.2　刚度和阻尼　// 23
3.3.3　垂直速度　// 24
3.4　刀具材料　// 24
3.4.1　标准刀具材料　// 24
3.4.2　刀具涂层　// 24
3.4.3　自定义刀具材料　// 25
3.5　刀具磨损　// 25
3.5.1　标准磨损模型　// 26
3.5.2　自定义磨损模型　// 26
3.5.3　Usui（臼井英治）磨损模型　// 27
3.5.4　用户定义的磨损模型　// 27
3.6　刀具网格查看器　// 29

第4章 刀具参数—3D仿真　// 31
4.1　车刀　// 31
4.1.1　斜角车刀　// 32
4.1.2　圆角车刀、外圆车刀、端面车刀　// 32
4.1.3　具有修光刃的车刀片（仅用于圆角车削）　// 33
4.2　切槽刀具　// 33
4.2.1　标准切槽刀具　// 34
4.2.2　锥形切槽刀具　// 35
4.3　铣削刀具　// 35
4.3.1　整体圆柱立铣刀　// 36
4.3.2　可转位铣刀　// 37
4.3.3　适用于其他加工方式的整体铣刀　// 37
4.3.4　适用于其他加工方式的可转位铣刀　// 39
4.3.5　镶嵌式铣刀（玉米铣刀）　// 39
4.3.6　跳动　// 40
4.3.7　不等齿距　// 41
4.4　钻削刀具　// 42
4.4.1　整体钻头　// 43
4.4.2　可转位钻头　// 45
4.5　螺旋铣孔刀具　// 45
4.6　镗刀　// 46
4.7　攻螺纹刀具　// 47
4.8　锯切刀具　// 48
4.9　拉刀　// 48
4.10　自定义刀具　// 49
4.10.1　自定义刀具编辑器　// 49
4.10.2　自定义斜角车刀　// 53
4.10.3　自定义圆角车刀、外圆车刀、端面车刀　// 54
4.10.4　自定义镗刀和可转位铣刀　// 56
4.11　刚度和阻尼　// 56
4.12　刀具材料　// 57
4.12.1　刀具涂层　// 58
4.12.2　刀体材料　// 58
4.13　刀具变形　// 58

第5章 工件参数—2D仿真　// 60
5.1　标准工件 —车削/锯削/拉削　// 60
5.2　标准工件 —顺铣和逆铣　// 61
5.3　工件材料　// 62
5.3.1　标准工件材料　// 62
5.3.2　自定义材料　// 62
5.4　自定义工件 —车削 /拉削 /锯削　// 62

第6章 工件参数—3D仿真　// 64
6.1　车削工件　// 64
6.1.1　斜角车削工件　// 64
6.1.2　圆角车削工件　// 65
6.1.3　外圆与端面车削　// 65
6.2　切槽工件　// 66
6.3　铣削工件　// 67
6.3.1　侧铣工件　// 67
6.3.2　角铣工件　// 68
6.3.3　端面铣工件　// 68
6.3.4　坡走铣工件　// 69
6.3.5　插铣工件　// 69
6.3.6　型腔铣工件　// 70
6.4　钻削工件　// 70
6.4.1　钻削标准工件　// 70
6.4.2　带导向孔的钻削工件　// 71
6.4.3　斜面钻孔工件　// 72
6.5　螺旋铣孔工件　// 72
6.6　镗削工件　// 73
6.7　攻螺纹工件　// 73
6.8　锯切工件　// 74
6.9　拉削工件　// 74
6.10　高级工件设置选项　// 74
6.10.1　初始网格划分参数　// 75
6.10.2　自适应网格划分参数　// 77
6.11　工件材料　// 77

第7章 外部文件导入—2D仿真　// 78
7.1　DXF刀具查看器　// 79
7.2　自定义刀具编辑器　// 80

第8章 外部文件导入—3D仿真　// 82
8.1　STL/VRML刀具导入　// 83
8.1.1　输出 STL/VRML文件　// 83
8.1.2　导入 STL/VRML文件　// 84
8.2　STEP文件导入　// 86
8.2.1　STEP文件组成　// 87
8.2.2　导入 STEP刀具文件　// 87
8.2.3　STEP分析器　// 92
8.2.4　导入 STEP工件文件　// 102
8.2.5　STEP文件在 AdvantEdge FEM中导入准备　// 103
8.2.6　修复导入 STEP文件　// 105

第9章 工艺设置—2D仿真　// 106
9.1　车削 /锯削 /拉削工艺参数　// 106
9.2　逆铣和顺铣工艺参数　// 106
9.3　摩擦　// 107
9.4　冷却介质建模　// 107
9.4.1　随温度变化的对流传热系数　// 108
9.4.2　浸入式冷却介质建模　// 108
9.4.3　排除刀尖附近区域的冷却介质建模　// 109
9.4.4　刀具强制冷却介质建模　// 110
9.4.5　工件强制冷却介质建模　// 110
9.5　工艺选项　// 111

第10章 工艺设置—3D仿真　// 113
10.1　车削　// 113
10.1.1　斜角车削和圆角车削　// 113
10.1.2　外圆车削和端面车削　// 113
10.2　切槽　// 114
10.3　铣削　// 115
10.3.1　侧边铣削　// 115
10.3.2　角铣　// 115
10.3.3　端面铣　// 116
10.3.4　坡走铣　// 116
10.3.5　插铣　// 117
10.3.6　型腔铣　// 117
10.4　钻削工艺参数　// 118
10.5　螺旋铣孔　// 119
10.6　镗削工艺参数　// 120
10.7　攻螺纹工艺参数　// 121
10.8　锯切　// 121
10.9　拉削　// 122
10.10　工艺类型窗口　// 123
10.11　摩擦因数　// 123
10.12　冷却模型　// 124
10.13　工艺选项　// 124

第11章 自定义材料　// 125
11.1　本构模型　// 125
11.1.1　Power Law材料模型（适用于塑性材料）　// 125
11.1.2　Drucker Prager材料模型（适用于脆性材料）　// 126
11.1.3　用户自定义　// 127
11.2　热传导　// 127
11.3　应变强化　// 127
11.4　热软化　// 129
11.5　应变率　// 130
11.6　弹性　// 131
11.7　损伤　// 132
11.8　热传导　// 134
11.9　比热容　// 135
11.10　线胀系数　// 136
11.11　依赖温度变化的参数表　// 136
11.12　Drucker Prager材料模型　// 137
11.13　用户自定义本构模型（仅适用于 2D仿真）　// 138
11.13.1　状态变量初始化　// 139
11.13.2　图形用户界面（GUI）　// 139
11.13.3　输入文件格式　// 140
11.13.4　Tecplot输出　// 141
11.13.5　编译　// 141
11.13.6　用户自定义材料增率公式示例　// 142
11.14　用户定义的屈服面本构模型　// 150
11.14.1　解决算法　// 150
11.14.2　实施案例　// 151
11.14.3　材料参数　// 152
11.14.4　屈服面本构模型的设置　// 153
11.14.5　用户自定义屈服面模型中依赖温度变化的参数表　// 155
11.15　导入和导出材料文件　// 156

第12章 仿真选项—2D仿真　// 158
12.1　常规选项　// 158
12.1.1　仿真模式　// 158
12.1.2　切屑折断　// 159
12.1.3　残余应力分析　// 159
12.1.4　稳态分析　// 159
12.1.5　仿真约束　// 160
12.1.6　节点数　// 160
12.2　网格划分选项卡　// 160
12.2.1　小 /单元尺寸　// 161
12.2.2　确定小单元尺寸　// 161
12.2.3　网格细化因子　// 163
12.2.4　网格粗化因子　// 163
12.2.5　残余应力分析　// 164
12.3　结果选项　// 164
12.3.1　输出帧的数量　// 164
12.3.2　定义输出窗口　// 164
12.3.3　其他输出选项　// 165
12.4　并行处理　// 165

第13章 仿真选项—3D仿真　// 167
13.1　常规选项　// 167
13.1.1　仿真模式　// 167
13.1.2　残余应力分析　// 168
13.1.3　稳态分析　// 168
13.2　网格划分选项　// 168
13.3　结果选项　// 170
13.4　并行处理　// 171

第14章 参数影响研究—2D仿真　// 173

第15章 仿真管理　// 175
15.1　保存仿真文件　// 175
15.2　任务监视器　// 176
15.3　许可证监视器　// 179
15.4　浮动的许可证　// 180
15.4.1　提交一个仿真　// 180
15.4.2　提交批处理任务　// 181
15.5　停止和重新启动任务　// 181
15.5.1　停止一个任务　// 181
15.5.2　重新启动单任务仿真　// 182
15.5.3　重新启动批处理任务　// 182
15.5.4　在 Tecplot中打开当前区域　// 182
15.6　支持 /存档文件功能　// 183
15.7　转换成二进制文件　// 184

第16章结果分析—Tecplot　// 185
16.1　启动和停止 Tecplot　// 185
16.2　AdvantEdge FEM分析结果文件　// 185
16.2.1　云图文件　// 185
16.2.2　力文件　// 186
16.3　云图绘制　// 186
16.3.1　云图变量　// 186
16.3.2　云图风格　// 187
16.3.3　区域选择　// 187
16.3.4　云图类型　// 187
16.3.5　云图图例和云图水平　// 187
16.4　网格图　// 188
16.5　矢量图　// 188
16.6　XY坐标图　// 188
16.6.1　XY显示属性　// 189
16.6.2　曲线拟合　// 189
16.7　动画　// 189
16.7.1　AdvantEdge FEM快速分析窗口　// 189
16.7.2　动画菜单　// 190
16.7.3　创建 AVI/RM文件　// 190
16.8　区域选择　// 190
16.9　打印图形　// 192
16.9.1　打印到文件或打印机　// 192
16.9.2　打印格式　// 192
16.10　提取数据　// 192
16.10.1　提取一个点的数据　// 192
16.10.2　提取一段折线上的数据　// 192
16.11　用户定义输出变量　// 193
16.12　体积平均残余应力（仅适用于 3D仿真）　// 193
16.13　分析用户指定单元的刀具应力与温度历程 —2D仿真　// 19

数值仿真是一项综合应用技术，它对教学、科研、设计、生产、管理、决策等部门都有很大的应用价值，为此，世界各国均投入了相当多的资金和人力进行研究。数值仿

真本身可以被看作是一种基本试验。传统试验方法费用昂贵，且只能表征初始状态和终状态，中间过程无法得知，因而也无法帮助研究人员了解问题的实质，而数值仿

真在某种意义上比理论与试验使研究人员对问题的认识更为深刻、更为细致，不仅可以使其了解问题的结果，而且可随时、连续、动态、重复地观察事物的发展，了解其

整体与局部的细致过程。数值仿真可以直观显示目前还不易观测到的、说不清楚的一些现象，容易为人理解和分析；还可以显示通过任何试验都无法看到的发生在结构内

部的一些物理现象。同时，数值仿真可以替代一些危险、昂贵，甚至是难于实施的试验，如反应堆的爆炸事故，核爆炸的过程与效应等。数值仿真促进了试验的发展，对

试验方案的科学制订、试验过程中测点位置的选择、仪表量程等的确定提供更可靠的理论指导。另外数值仿真和试验相比，数值仿真软件可以进行复制移植、重复利

用，并可进行适当修改而满足不同情况的需求。数值仿真已经与理论分析、实验研究一起并列为科学研究的三种方法。《中国制造 2025》中指出要“促进制造工艺的仿

真优化、数字化控制、状态信息实时监测和自适应控制”。
切削过程涉及复杂的力学、物理和化学等现象，由于其中刀具和工件的高速运动状态难以实时观测分析，数值仿真技术是重现切削过程多种物理现象的研究方法。切

削数值仿真技术包括有限元仿真、离散元仿真、光滑粒子流仿真、分子动力学仿真等多种方法，其中有限元仿真是一种常用的数值仿真方法，其实施的软件平台包括Abaqus、Deform、Ansys等通用软件平台，以及AdvantEdge FEM等专用软件平台。其中专用软件平台降低了切削仿真的建模难度，提高了仿真计算效率，是未来切削数值仿真发真的必然趋势。现有的切削数值仿真类著作大多以通用软件座位平台，以专用软件作为切削数值仿真的著作还比较少见。
本书主要介绍了金属切削仿真专用软件AdvantEdge FEM的主要功能及其基本原理，包括二维/三维仿真工艺模型及其参数设置、材料模型的建立及应用、网格参数及其重划参数设置、仿真结果的后处理等模块。本书可供相关研究开发人员学习AdvantEdge FEM软件使用，也可以作为学习其他切削数值仿真软件的参考书。本书结合作者十多年的AdvantEdge FEM软件使用经验，在AdvantEdge FEM软件英文说明书的基础上对软件的使用原理和使用方法进行补充和修订，形成一本完整的用户使用手册。作者希望本书的出版能够为我国切削数值仿真技术的发展及相关软件的推广提供帮助。

作者
2018年8月