[發(fā)明專利]一種固液兩相磨粒流精密加工分子動力學(xué)構(gòu)建方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201910628086.5
• 申請日: 2019-07-12
• 公開（公告）號: CN110334462A
• 公開（公告）日: 2019-10-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李俊燁;解鴻偲;孟文卿;李學(xué)光;宋俊成;張心明;趙偉宏;徐成宇
• 申請（專利權(quán)）人: 長春理工大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
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• 代理人: 暫無信息

1.本發(fā)明涉及一種固液兩相磨粒流精密加工分子動力學(xué)構(gòu)建方法，其特征在于：具體步驟如下：

(1)分子動力學(xué)仿真模型的建立：利用Lammps軟件構(gòu)建金屬鐵的晶體模型，選取α-Fe的晶格常數(shù)為0.2863nm，模型在x、y和z方向上分別對應(yīng)晶向[100]、[010]和[001]，各方向尺寸為其中包含114388個Fe原子。工件內(nèi)碳原子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別定為0.30％、0.40％、0.50％和0.60％，根據(jù)不同的碳原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在所構(gòu)建的金屬鐵晶體模型的晶格間隙相應(yīng)陣點(diǎn)位置處隨機(jī)加入相應(yīng)數(shù)量的碳原子。選擇立方碳化硅為磨粒，利用Materials studio軟件中Visualizer窗口構(gòu)建碳化硅磨粒模型，模型直徑包含724個硅原子和682個碳原子，初始放置在工件右上方距工件邊緣位置，在Discover設(shè)置中能量模塊選擇CVFF立場，對模型進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)最優(yōu)化及能量最小化處理；

(2)設(shè)定模擬區(qū)域的邊界條件：施加周期性邊界條件并引入最近鄰像約定，對中心元胞內(nèi)的原子運(yùn)動及其相互作用進(jìn)行計(jì)算；

(3)勢函數(shù)的選取：選擇EAM勢來描述鐵碳合金工件中Fe-Fe、Fe-C和C-C之間的相互作用，選擇Morse勢函數(shù)來描述鐵碳合金工件與碳化硅顆粒中Fe-Si、Fe-C(SiC)、C-C(SiC)和C-Si之間的相互作用，選擇Tersoff勢函數(shù)來描述碳化硅顆粒中C-C、C-Si和Si-Si之間的相互作用；

(4)系統(tǒng)弛豫：選擇等溫等壓系綜(NPT)進(jìn)行平衡約束，利用Nose-Hoover熱浴法將系統(tǒng)弛豫10000步，以使系統(tǒng)初始模型達(dá)到平衡狀態(tài)；

(5)設(shè)定和模擬相關(guān)參數(shù)：模擬系統(tǒng)的初始溫度分別設(shè)定為290K、300K、310K、和320K，磨粒速度設(shè)定為60m/s，切削深度為數(shù)值模擬步數(shù)為140000步，積分步長選擇為1fs；

(6)核心算法仿真計(jì)算：確定原子初始位置和速度，根據(jù)計(jì)算系統(tǒng)勢能及原子受力。根據(jù)Verlet積分算法預(yù)測下一時刻原子速度。根據(jù)計(jì)算系統(tǒng)動能，驗(yàn)證系統(tǒng)動能是否滿足如果滿足，則根據(jù)Verlet積分算法預(yù)測下一時刻原子位置，統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果；

(7)系統(tǒng)內(nèi)部平衡態(tài)演化：選擇微正則系綜(NVE)對模擬體系進(jìn)行平衡約束，當(dāng)系統(tǒng)能量趨于目標(biāo)值，且原子速度按照Msxwell-Boltzmann隨機(jī)分布時，可認(rèn)為系統(tǒng)達(dá)到了平衡狀態(tài)；

(8)數(shù)據(jù)處理與可視化處理：通過Lammps軟件對自行編寫的程序文件進(jìn)行分子動力學(xué)仿真計(jì)算，統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果，得到模擬過程及計(jì)算結(jié)果的相關(guān)數(shù)據(jù)的輸出文件，輸出文件中包含了變量參數(shù)及原子坐標(biāo)的變化信息，選擇Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，選擇Ovito軟件進(jìn)行可視化處理。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固液兩相磨粒流精密加工分子動力學(xué)構(gòu)建方法，其特征在于：基于微觀尺度摩擦磨損與材料晶態(tài)結(jié)構(gòu)理論，通過對磨粒微切削的動態(tài)過程進(jìn)行分子動力學(xué)數(shù)值模擬，探討不同參數(shù)下磨粒與工件之間的相互作用關(guān)系，對亞表面缺陷結(jié)構(gòu)的形成及演變進(jìn)行分析，揭示磨粒微切削作用機(jī)制及材料變形機(jī)制，主要研究成果如下：

(1)根據(jù)磨粒流加工中磨粒對工件的作用方式，利用理論分析和數(shù)值計(jì)算方法，從分子動力學(xué)角度探討磨粒與工件表面的相互作用機(jī)制，結(jié)合分子動力學(xué)、流體力學(xué)以及磨粒流精密加工相關(guān)知識，確定磨粒流加工的分子動力學(xué)模擬方案和流程，建立描述磨粒運(yùn)動的動力學(xué)模型。以鐵碳合金材料為研究對象，建立鐵碳合金模型以及磨粒模型，根據(jù)要求加載后經(jīng)核心算法計(jì)算得到相應(yīng)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果；

(2)對碳化硅磨粒微切削鐵碳合金工件過程進(jìn)行了分子動力學(xué)模擬，通過研究發(fā)現(xiàn)在切削力作用下，磨粒對工件表面原子的碰撞切削是微切削過程中材料去除和表面成形的主要機(jī)制，由于磨粒的微切削作用使得工件原子發(fā)生位移，打破原始點(diǎn)陣排布狀態(tài)，引起材料內(nèi)晶格變形以及位錯產(chǎn)生與變化，在此過程中伴隨著熱力學(xué)量的持續(xù)變動。通過對不同的系綜溫度、切削速度、切削角度和碳原子含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))條件進(jìn)行分子動力學(xué)數(shù)值分析，探索不同加工因素以及鐵碳合金工件材料中碳原子含量對磨粒流微切削過程的影響，揭示磨粒對工件表面材料去除的微觀作用機(jī)制；

①為探討溫度對微切削過程的影響，構(gòu)建不同系綜溫度下碳化硅磨粒微切削鐵碳合金工件的分子動力學(xué)模擬模型，通過對微切削過程中磨粒切削力、原子能量、原子位移、工件內(nèi)晶格變化以及位錯變化進(jìn)行分析可知，溫度變動(290K-320K)對原子動能的影響最為直接，微切削過程中原子位移和晶格變化會因溫度不同而存在微小差異，而隨著溫度升高，工件內(nèi)部分內(nèi)應(yīng)力減小，位錯線數(shù)量減少且密度降低。因此，在磨粒流加工過程中可適當(dāng)提高加工溫度以提升工件加工表面質(zhì)量與精度，減少內(nèi)部缺陷結(jié)構(gòu)；

②通過分析不同切削速度下的磨粒微切削過程，探討磨粒切削速度對微切削的影響，對不同切削速度條件下材料力學(xué)性能及表面微觀形貌變化分析發(fā)現(xiàn)，隨著磨粒切削速度的增加，工件表面切削距離相應(yīng)增大，完成整個切削過程的時間相應(yīng)縮短。但切削速度過大會對工件表面產(chǎn)生較大沖擊，材料內(nèi)晶格結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變及位錯變化與運(yùn)動相應(yīng)加劇。在一定速度范圍內(nèi)(40m/s～90m/s)，較大切削速度可以更快的完成微切削過程，有利于提高加工效率，同時仍可保證磨粒流的加工質(zhì)量；

③在磨粒流加工過程中，磨粒總是以不同的角度對工件進(jìn)行微切削作用，為探討磨粒切削角度對微切削過程的影響，對切削角度從0°～25°條件下的微切削進(jìn)行分子動力學(xué)模擬，得到切削力和能量變化曲線以及原子位移和排布微觀形貌。通過分析發(fā)現(xiàn)隨著切削角度的增大，切削力及原子能量相應(yīng)升高，磨粒在工件表面的切削深度增大，原子位移變化復(fù)雜，在磨粒作用下的原子堆積無法正常形成切屑，材料內(nèi)更多原子的排布狀態(tài)發(fā)生改變，晶格變化更加復(fù)雜，位錯密度相應(yīng)增加，材料更易發(fā)生塑性變形且變形愈加復(fù)雜，工件加工表面精度與質(zhì)量的控制越難得以保證。因此，保證較小的切削角度有利于形成更高質(zhì)量的表面形貌；

④選擇碳原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.3％、0.4％、0.5％和0.6％的鐵碳合金進(jìn)行分子動力學(xué)數(shù)值分析，探討碳原子含量對微切削過程的影響。由于工件中碳原子的存在導(dǎo)致晶格發(fā)生了一定程度的畸變，使得原子能量的分布出現(xiàn)局部不均勻的現(xiàn)象，且部分碳原子附近的鐵原子被識別為Simple cubic結(jié)構(gòu)，影響了工件內(nèi)原子位移、晶體滑移及位錯滑移。通過分析可知，隨著碳原子含量的增大，材料內(nèi)變形抗力增大，發(fā)生塑性變形的能力降低，磨粒對工件材料的微切削作用逐漸減弱；

(3)對碳化硅磨粒微切削鐵碳合金工件過程中工件已加工表面下方的亞表面區(qū)域內(nèi)缺陷結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子動力學(xué)數(shù)值分析，利用共近鄰分析(CNA)方法和位錯提取算法(DXA)對工件亞表面缺陷層中存在的缺陷及相應(yīng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行了探討，闡明了亞表面缺陷結(jié)構(gòu)的形成及變化過程；

①磨粒周圍的原子由于磨粒的作用而積累了較高的能量，當(dāng)這些原子所積累的能量達(dá)到極限值后得到釋放，工件原子產(chǎn)生位移，原始排布狀態(tài)發(fā)生變化，切削區(qū)域內(nèi)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)遭到破壞，局部原子發(fā)生有規(guī)律的錯排現(xiàn)象，這些位錯會殘留在鐵碳合金工件材料的亞表面并在微切削過程中不斷變化；工件內(nèi)位錯線沿滑移方向產(chǎn)生滑移，它們在磨粒下方區(qū)域內(nèi)形核并擴(kuò)展，部分產(chǎn)生交叉滑移現(xiàn)象，阻礙位錯進(jìn)一步的向內(nèi)擴(kuò)展，然后沿著垂直于原始運(yùn)動方向產(chǎn)生攀移，從而形成V形位錯環(huán)；部分位錯在鐵碳合金工件內(nèi)形核，本應(yīng)擴(kuò)展到自由表面后消失，但是由于位錯增殖使其在工件材料內(nèi)分布密度逐漸增大；

②鐵碳合金工件材料內(nèi)少量原子吸收能量后脫離原始結(jié)構(gòu)并在微切削作用下移動至其他位置，多個原子相互聚集在一起形成相應(yīng)的原子團(tuán)簇；在碳化硅磨粒下方區(qū)域內(nèi)，堆垛層錯在磨粒微切削作用下開始形核，由材料內(nèi)部擴(kuò)展后在滑移面上形成位錯線。