[发明专利]基于分子动力学磨粒流加工数值模拟研究方法

权利要求书

1.一种基于分子动力学磨粒流加工数值模拟研究方法，以单个磨粒作为刀具对加工过程进行数值模拟研究，其特征在于：具体步骤如下：

(1)进行基于分子动力学的磨粒流加工过程模拟研究，研究相关参数对磨粒流加工中能量变化的影响，编写分子动力学程序建立仿真模型进行分子动力学仿真；

(2)根据分子动力学基本原理，建立磨粒微观切削的分子动力学模型，进行基于分子动力学的磨粒磨削数值模拟，通过数值求解运动方程，得出磨粒原子相对被加工材料原子的位移和速度，获得不同时刻原子的运动轨迹，探究磨粒流加工过程中原子的去除规律、表面势能变化；

(3)从微观角度阐述材料的去除机制，探讨相关参数对加工过程中能量变化的影响，并对加工表面质量分析；

(4)探究在磨粒加工后，磨粒的变化情况，从微观尺度探究磨粒流加工对磨粒晶体结构的影响。

2.根据权利要求1所述的基于分子动力学磨粒流加工数值模拟研究方法，其特征在于：所述步骤(1)中，分子动力学模拟的过程分为以下几步：

(1)对将要仿真的模拟体系建立理论模型；

(2)对体系初始参数进行设定，包括粒子的原子类型，边界条件，原子坐标；

(3)选定合理的势函数，对原子间的作用力进行描述；

(4)选用计算方法，求解运动方程；

(5)弛豫后完成初始设定的模拟步数，得到粒子轨迹文件；

(6)提取相关物理量，对模拟结果进行分析。

3.根据权利要求1所述的基于分子动力学磨粒流加工数值模拟研究方法，其特征在于：所述步骤(2)中，基于分子动力学磨粒流加工数值模拟模型操作步骤如下：

(1)建立磨粒磨削模型：根据实际材料化学组成来定义磨粒磨削模型的微观结构，磨粒磨削模型包括体系所包含的原子种类和原子数目；建立好模型之后，对所建立体系的原子之间的力场进行描述；将刀具设定为刚体；模型中采用EAM势描述铜原子之间的力，利用Morse势描述工件与磨粒之间的作用力，Tersoff势描述刀具原子间的作用力；模型建立后，需要对初始化参数进行设定；其参数设定过程归结以下几个方面：(a)选取数值积分算或差分格式，包括Verlet算法、蛙跳算法；(b)数值积分时间步长的选取；(c)描述分子间相互作用力，势函数的选取，以及截断半径和截断处理方法；(d)计算分子间作用力时，选取的简化处理方法，包括近邻表算法、格子索引法，以及与此相关的参数；(e)对模拟体系系综的标定，以及状态变量N、P、T实现时统计系综的算法；(f)模拟过程参数，包括弛豫以及仿真模拟的步数；(g)模拟实验参数的设定，依据实验内容对速度，温度进行标定；

(2)模型的初始化设置：对于确定模拟构型和初始速度的一般要求为：(a)在单原子分子体系和小分子体系模拟中，只要模拟的温度不太低，一般比较容易达到平衡状态，随机地设定体系的初始构型；(b)在晶体体系中，必须确保初始构型处在平衡构型附近；(c)对于合成高分子，生物大分子体系或大分子溶液，要根据大分子和溶剂的结构特征确定初始构型；(d)设定初始速度较初始构型方便和自由，通过Maxwell速度分布，随机地设定体系中各原子的初始速度；

(3)模拟体系的弛豫：在初始条件设定好之后，不能够完全保证所设定初始条件参数使模拟体系达到平衡状态，为使模拟体系达到平衡状态，需要给系统一个弛豫过程，即在不加外力的条件下使系统自身达到稳定的平衡状态；模拟体系的弛豫过程往往通过对所建立模型的恒温层原子进行速度标度的方法来实现；

(4)时间积分步长的确定：步长选取1fs；

(5)分子动力学模拟相关参数的设定：为探究不同加工参数对工件的影响，将对磨粒形状、磨粒速度大小与方向、体系的温度方面进行对比仿真；磨粒的速度在-x方向设定为50m/s、60m/s、70m/s、80m/s、90m/s；当进行斜切削分子动力学仿真时，在x方向速度基础上，设定-y方向为4m/s的速度，体系的温度分别设定为293K、300K、310K、320K，对工件采用Nose-Hoover调温方法进行温度调节；对于模拟系统在x，y方向上采用柔性边界条件，即允许体系有该方向上的微小变化，Z方向上采用周期性边界条件；设定模拟步数范围为20000至40000步，模拟时间为20ps至40ps。