一种脆性材料磨削过程建模仿真方法技术

本发明专利技术一种脆性材料磨削过程仿真方法属于微纳米超精密加工数值仿真领域，涉及一种采用基于光滑粒子流体动力学方法的三维微纳米单颗磨粒磨削加工仿真模拟方法。该方法首先设定磨粒和被加工材料的尺寸，然后，在ANSYS里建立三维单颗磨粒有限元模型，在LS‑PrePost中建立工件材料的SPH模型，再设置相关模型参数，并在LS‑DYNA中计算。最后，对仿真结果进行分析。该仿真方法能够更加清晰准确地得到磨削加工过程中应力、应变、密度等数据，通过控制加工深度使得脆性材料在塑性域去除，分析脆性材料损伤机理，从而获得较为理想的表面质量。节省了大量的人力成本、实验成本以及经济成本，并避免了实验方法难以在线观测的难题。

A modeling and simulation method for grinding process of brittle materials

The invention relates to a brittle material grinding process simulation method belongs to the ultra precision machining of micro nano numerical simulation field, relates to a three-dimensional SPH method of micro nano single grain grinding simulation method based on simulation. The first set of abrasive particles and the machined material size, then, the establishment of three-dimensional single particle finite element model in ANSYS, the SPH model of workpiece material in LS in PrePost, and then set the related parameters, and calculated in the LS DYNA. Finally, the simulation results are analyzed. The simulation method can be more clearly and accurately obtain the stress, strain and density data of the grinding process, by controlling the depth of processing makes the brittle material in a plastic domain removal, analysis of the damage mechanism of brittle material, so as to obtain ideal surface quality. It saves a great deal of manpower cost, experiment cost and economic cost, and avoids the difficult problem that the experiment method is difficult to be observed online.

【技术实现步骤摘要】
一种脆性材料磨削过程建模仿真方法
本专利技术属于微纳米超精密加工数值仿真领域，涉及一种采用基于光滑粒子流体动力学方法的三维微纳米磨削加工仿真方法。
技术介绍
随着科学技术的发展，光学玻璃越来越广泛地运用在光电通讯、航空航天以及国防工业等领域。然而由于其高脆性、高硬度、低断裂韧性，很难获得能满足日益发展的光学技术要求的超光滑表面。加工脆性材料的传统方法在加载和加工过程中容易产生微裂纹。这些微裂纹在后续加工的时候更容易导致脆性断裂，很难获得纳米级的光学表面，严重影响石英玻璃等脆性材料的应用。因此有大量研究集中在如何获得纳米级光学表面上。通过压痕、划痕等实验确定了玻璃类脆性材料可以在纳米尺度上以塑性方式去除，此时不会产生裂纹、崩碎等降低表面质量的行为。例如，TAMAKIJ等在2009年日本11thInternationalSymposiumonAdvancesinAbrasiveTechnology会议发表的《Experimentalanalysisofelasticandplasticbehaviorinductile-regimemachiningofglassquartzutilizingadiamondtool》，论文集235–240页。从工艺角度出发，磨削仍是广大学者们努力研究的方向。为了避免传统磨削方法带来的问题，一些辅助方法引入到磨削中。超声辅助磨削能够有效地降低磨削力、提高工件表面加工质量、降低工件表面损伤等；ELID磨削通过电解在线修整技术避免了磨具钝化和阻塞，降低了加工材料的磨削应力和磨削力，减少了对石英玻璃光学器件的表面和亚表面损伤。众多磨削手段的基本原理都是通过单颗粒磨削过程来揭示的，单颗磨粒磨削在磨削加工过程中可以排除其他磨粒的干涉影响，并在较大的可控范围内研究磨削参数的影响。但是，正如其他实验方法一样，由于加工和观测条件限制，单颗磨粒磨削实验仅能观察到部分加工结果，对于加工中微纳尺度上的材料行为并不能很好地展现出来。而数值仿真从另一个角度揭示材料加工机理，能准确地捕捉到诸如实时应力应变、材料分离过程等实验不容易得到的数据。适合于脆性材料高速加工的Johnson-HolmquistCeramics材料本构模型，简称JH-2模型，详见JOHNSONGR,HOLMQUISTTJ.Animprovedcomputationalconstitutivemodelforbrittlematerials[C]//High-PressureScienceandTechnology,ColoradoSprings,USA,1994:981–4，适合仿真高速加工脆性材料。本专利技术采用的光滑粒子流体动力学(smoothingparticlehydrodynamics，SPH)方法作为一种新兴的无网格的数值仿真方法，解决了有限元方法在处理大应变、大应变率时网格畸变等问题，能很好地模拟出脆性材料分离过程，同时与分子动力学相比，又不会受到尺度的限制，因此不需要考虑微观状态下作用势的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，改善现有加工技术上的不足，专利技术一种基于SPH方法的脆性材料超精密磨削仿真方法。通过建立被加工材料的SPH粒子模型和被简化的单颗磨粒模型，运用三次样条插值算法，采用适合于脆性材料高速加工的JH-2材料本构模型，并在美国有限元计算软件LS-DYNA中计算，通过脆性材料临界加工深度判据辅助判断，对仿真结果进行分析。该仿真方法能更加清晰准确地得到磨削加工过程中应力、应变、密度等数据，通过控制加工深度使得脆性材料在塑性域去除，更有利于获得较为理想的表面质量。节省了大量的人力成本、实验成本以及经济成本。本专利技术采取的技术方案是一种脆性材料磨削过程仿真方法，以单个磨粒作为刀具对加工过程进行数值模拟的方法，其特征是，首先确定磨粒和被加工材料的尺寸，然后，在ANSYS里建立三维磨粒有限元模型，在LS-DYNA的前后处理软件LS-PrePost中建立工件材料的SPH模型，运用三次样条插值算法，采用适合于脆性材料高速加工的JH-2材料本构模型，再设置接触、边界、材料等参数，并在LS-DYNA中计算，最后，判断结果是否符合实际加工情况，对仿真结果进行分析。仿真方法具体步骤如下：步骤1：规划仿真尺度并设计被加工材料和磨粒的尺寸；根据实际脆性材料超精密加工极限尺寸来规划仿真尺度，进而设计合理的被加工材料和单颗磨粒的尺寸，被加工材料和磨粒的尺寸的选择要完整地表达出材料分离过程。步骤2：在ANSYS里建立三维磨粒有限元模型，假定磨粒为刚体，微纳尺度下磨粒近似为球形，磨粒材料选择金刚石；步骤3：在LS-PrePost中建立工件的SPH模型；用SPH方法的插值算法这一核心理论，把如密度、温度、压力等任意宏观变量借助一组无序的点表示成积分插值的形式。利用插值函数给出量场在一点处的核心估算值，用以表征粒子运动信息，在粒子i处粒子的函数近似式写为：式中：f是坐标向量xi、xj的函数(i,j＝1,2,…,N)；N为在粒子i、j支持域内的粒子总量；ρj为粒子j的密度；mj为粒子j的质量；h为光滑长度，用来决定光滑函数的影响域，光滑长度随时间和空间变化；W(x,h)是光滑函数光滑函数依靠辅助函数θ(x)定义：W(x,h)＝h(x)-dθ(x)(2)式中：d为空间维数，光滑长度h要求设置最小值和最大值HMIN*h0＜h＜HMAX*h0(3)其中，h0为初始光滑长度，HMIN和HMAX分别为最小值系数和最大值系数。辅助函数θ(x)通过三次样条函数定义，表示为：式中：C为归一化常量，由空间维数确定；x为自变量。邻域搜索采用bucket算法；每个SPH粒子周边半径为2h的球形区域是其影响域，整个求解域被划分为若干个子域，之后在主子区域以及与之相邻子区域中对每个粒子进行搜索。步骤4：构造仿真的计算模型，并在LS-DYNA中进行仿真计算；在有限元模型中，边界约束一般通过对边界节点的约束来定义。而在SPH模型中，应用了虚粒子原理，虚粒子是靠近边界2h距离范围内粒子的镜像，边界周围的每个粒子，通过映射自身来自动创建与之相对应的虚粒子，虚粒子具有与实粒子相同的质量、压力、速度等，因此可以对其他粒子产生近似的作用。被加工材料采用以下模型表达材料的本构特性：式中：σ*为无量纲强度；为完整材料无量纲等效应力；为破坏材料无量纲等效应力；D为损伤变量，表示为：式中：0≤D≤1，Δεp为一个时间步内材料的等效塑性应变增量，为等效塑性破坏应变。在适当加工条件下，如果产生裂纹扩展所需的能量大于塑性变形所需的能量，那么脆性材料加工就有可能实现塑性域去除。也就是说脆性材料的去除方式取决于单颗磨粒的加工深度与脆性材料的临界加工深度的大小关系。脆性材料临界切削深度理论公式为：式中：dc为临界切削深度；E为被加工材料的弹性模量；H为被加工材料的纳米硬度；KIC为被加工的脆性材料的断裂韧性；β为无量纲的材料常数，和加工条件有关。但在实际高速加工中，动态结果应该远大于准静态计算结果。步骤5：对仿真结果进行合理性评估分析，通过分析加工的时间历程、应力应变分布、裂纹扩展、磨削力、粒子密度来揭示脆性材料超精密切削过程，若符合实际加工情况则结束，否则返回步骤3。本专利技术的有益效果是基于动态分析本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脆性材料磨削过程建模仿真方法，以单个磨粒作为刀具对加工过程进行数值模拟的方法，其特征在于，该方法首先确定磨粒和被加工材料的尺寸；然后在ANSYS里建立三维磨粒有限元模型，在LS‑DYNA的前后处理软件LS‑PrePost中建立工件材料的SPH模型，运用三次样条插值算法，采用适合于脆性材料高速加工的JH‑2材料本构模型，设置接触、边界、材料等参数，并在LS‑DYNA中计算；最后，判断结果是否符合实际加工情况，对仿真结果进行分析，仿真方法具体步骤如下：步骤1：规划仿真尺度并设计被加工材料和磨粒的尺寸；根据实际脆性材料超精密加工极限尺寸来规划仿真尺度，进而设计合理的被加工材料和单颗磨粒的尺寸，被加工材料的尺寸的选择要完整地表达出材料分离过程；步骤2：在ANSYS里建立三维磨粒有限元模型，假定磨粒为刚体，微纳尺度下磨粒近似为球形，磨粒材料选择金刚石；步骤3：在LS‑PrePost中建立工件的SPH模型；用SPH方法的插值算法这一核心理论，把如密度、温度、压力等任意宏观变量借助一组无序的点表示成积分插值的形式；利用插值函数给出量场在一点处的核心估算值，用以表征粒子运动信息，在粒子i处粒子的函数近似式写为：...

【技术特征摘要】
1.一种脆性材料磨削过程建模仿真方法，以单个磨粒作为刀具对加工过程进行数值模拟的方法，其特征在于，该方法首先确定磨粒和被加工材料的尺寸；然后在ANSYS里建立三维磨粒有限元模型，在LS-DYNA的前后处理软件LS-PrePost中建立工件材料的SPH模型，运用三次样条插值算法，采用适合于脆性材料高速加工的JH-2材料本构模型，设置接触、边界、材料等参数，并在LS-DYNA中计算；最后，判断结果是否符合实际加工情况，对仿真结果进行分析，仿真方法具体步骤如下：步骤1：规划仿真尺度并设计被加工材料和磨粒的尺寸；根据实际脆性材料超精密加工极限尺寸来规划仿真尺度，进而设计合理的被加工材料和单颗磨粒的尺寸，被加工材料的尺寸的选择要完整地表达出材料分离过程；步骤2：在ANSYS里建立三维磨粒有限元模型，假定磨粒为刚体，微纳尺度下磨粒近似为球形，磨粒材料选择金刚石；步骤3：在LS-PrePost中建立工件的SPH模型；用SPH方法的插值算法这一核心理论，把如密度、温度、压力等任意宏观变量借助一组无序的点表示成积分插值的形式；利用插值函数给出量场在一点处的核心估算值，用以表征粒子运动信息，在粒子i处粒子的函数近似式写为：式中：f是坐标向量xi、xj的函数，i,j＝1,2,…,N；N为在粒子i、j支持域内的粒子总量；ρj为粒子j的密度；mj为粒子j的质量；h为光滑长度，用来决定光滑函数的影响域，光滑长度随时间和空间变化；W(x,h)是光滑函数光滑函数依靠辅助函数θ(x)定义：W(x,h)＝h(x)-dθ(x)(2)式中：d为空间维数，光滑长度h要求设置最小值和最大值HMIN*h0＜h＜HMAX*h0(3)其中，h0为初始光滑长度，HMIN和HMAX分别为最小值系数和最大值系数；辅助函数θ(x)通过三次样条函数定义，表示为：

【专利技术属性】
技术研发人员：郑桂林，郭晓光，李洋，史宇同，王晓丽，陈冲，李春晖，康仁科，金洙吉，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21