[發明專利]用于金剛石材料回彈和損傷特性的預測方法

有效

• 申請號: 202111091119.0
• 申請日: 2021-09-17
• 公開（公告）號: CN113823358B
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發明（設計）人: 王偉;龐飛;王超群;賈文杰;王超;程旭浩
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G16C10/00
• 分類號: G16C10/00;G16C60/00
• 代理公司: 成都虹盛匯泉專利代理有限公司 51268
• 代理人: 王偉

1.用于金剛石材料回彈和損傷特性的預測方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、建立金剛石多磨粒磨削物理模型，包括金剛石磨削磨粒和金剛石材料工件；

S2、基于納米切削理論，利用分子動力學方法對磨削模型劃分計算域，獲得金剛石材料的靜水應力分布及其原子的位置分布；

S3、基于磨粒實際磨削距離，對整個金剛石材料工件等距離劃分相同寬度的切片，建立起金剛石工件的不同磨削距離下的切片模型；

S4、基于共近鄰分析理論和方法，提取步驟S3獲得的切片模型，針對金剛石材料的晶體結構進行識別和分析；

S5、根據金剛石工件材料的切片模型，計算得到金剛石材料的回彈特性和損傷厚度，并獲得材料的回彈特性曲線和損傷特性曲線；

所述步驟S2中，金剛石材料的微觀粒子間的相互作用通過確定的勢函數求出，其設定材料相互作用勢和參數方法如下：

應用多體勢函數對金剛石工件原子之間、磨粒原子之間以及磨粒和工件原子之間的相互作用進行計算，所述多體勢函數即Tersoff勢函數：

其中，E和E_i分別為系統總勢能和原子i的勢能，V_ij為原子i和原子j之間的勢函數；f_C(r_ij)為原子相互作用的截斷函數，f_R(r_ij)為排斥項對偶勢，f_A(r_ij)為吸引項對偶勢，b_ij為調制函數，r_ij為原子i和原子j之間的距離；勢函數中對各項子函數和對偶勢進行設置，其函數表達式為：

其中，A為吸引項對偶勢的結合能，B為排斥項對偶勢的結合能，S和R為截斷長度，λ為吸引項勢能曲線的梯度系數，μ為排斥項勢能曲線的梯度系數；

調制函數b_ij的方程為：

其中，β為鍵級函數，ξ_ij為鍵角的勢能，θ_ijk為原子i、j與原子i、k之間的鍵角；

所述步驟S2中，對磨削模型劃分計算域，通過選擇和設定不同計算域下的分子之間的相互作用勢，進而求解計算域中材料的靜水應力分布和各個原子的位置坐標；

所述步驟S3中建立金剛石工件的不同磨削距離下的切片模型，需要利用牛頓運動定律建立微觀粒子的運動方程，通過積分的方法求出粒子的運動軌跡，并通過數值計算得到材料應力分布，其方法包括如下步驟：

S31、選擇有限差分法來求解牛頓運動方程，依據原子當前時間步的坐標和速度矢量解出下一個時間步原子的位置和速度，其求解方程為：

其中，r_i為原子i的位置矢量，v_i為原子i的速度矢量徑，a_i為原子i的加速度矢量；

S32、通過對勢函數的求導得到原子間的相互作用力，其方程為：

第i個原子所受的合力等于其附近全部原子對其作用力的矢量和，即：

S33、利用維里應力計算方法對微觀尺度下材料的應力分布進行求解，其方程為：

其中，σ_αβ為原子i的維里應力張量，α和β為笛卡爾坐標分量，Ω為截斷域體積，m_i為原子i的質量，v_iα和v_iβ為原子i的速度分量。

2.根據權利要求1所述的用于金剛石材料回彈和損傷特性的預測方法，其特征在于，所述步驟S4中利用步驟S3中獲得的維里應力分布數據和材料原子的運動變化，通過共近鄰分析方法對材料的晶體結構進行分析的方法如下步驟：

S41、對于某一個原子，首先識別以它為中心的附近第1層4個原子；

S42、然后再去識別這些原子各自的第1近鄰3個原子，這第二層的12個原子即為第2近鄰原子；

S43、最后計算中心原子與12個第2近鄰原子的CNA數值。

3.根據權利要求2所述的用于金剛石材料回彈和損傷特性的預測方法，其特征在于，所述材料的晶體結構中，如果原子在空間上的分布結果按照FCC的結構排列，就將該中心原子判定為立方金剛石原子。

4.根據權利要求2所述的用于金剛石材料回彈和損傷特性的預測方法，其特征在于，所述材料的晶體結構中，如果原子是按照HCP的結構進行排列，則判定為六方金剛石原子，其他排列的方式按照非晶化原子處理。