[发明专利]基于分子动力学磨粒流加工数值模拟研究方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于分子动力学磨粒流加工数值模拟研究方法，属于机械加工技术领域。

背景技术

随着科技的发展，机械加工正向微小、超精密的加工技术领域迈进。许多高端产品中的摩擦副间隙变得越来越小，开始进入纳米量级，微观摩擦学成为机械工程应用上的又一重要理论。

磨粒流加工可以实现对特殊通道内壁的光整加工，提高工件表面的光洁度，因此磨粒流加工能够解决其他传统加工方法对复杂形状零件无法实现的精密加工，使其在精密加工领域起着重要作用。磨粒流加工技术被广泛应用于航天科技、模具、汽车、医疗器械、光学平台等领域零部件的精密加工。在磨粒流加工过程中，磨料与被加工零件的表面产生应力接触，并且发生相对的运动，这就产生磨粒磨削工件的效应，从而达到对零件表面的研磨抛光效果，在此过程中磨粒可看作是加工过程中的刀具。利用磨粒流中的磨粒充作无数的切削刀具，以其坚硬锋利的棱角对磨粒流所流经的通道表面进行反复切削，从而实现管道表面的精加工。磨粒对被磨材料表面的切削是磨粒磨损的主要作用机制，通过微观尺寸研究工件表面去除规律，能够更清楚的认识到材料加工过程中微观尺度下发生的变化。在微观尺度下，磨粒磨损发生在工件表面的微观局部，研究工件表面上微观尺寸动态行为与变化是认识磨粒磨损机理的重要途径。 因此，对磨粒微观切削过程中的现象和切削机理的研究是十分必要的。然而，在对磨粒切削过程的研究中，一般利用简单公式计算磨损量或通过实验对工件表面进行观察分析，难以反映出动态变化过程。微观切削发生在微小区域，该区域有工件及刀具的原子分布，切削已转为原子之间的作用力，将可能产生新的物理现象，如微尺度效应。对磨粒流加工的微观尺度研究，已经是纳米摩擦学理论范畴。纳米摩擦学是基于原子、分子尺度上研究摩擦界面的磨损机理，因此微观尺度的力热特性、机械特性有可能发生变化。纳米摩擦学在研究方法、理论基础、测试技术和应用对象等方面与宏观摩擦学不同，这就使宏观概念及理论在微观领域研究中，会有不适用之处，因此需要寻找新的理论及研究方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于分子动力学磨粒流加工数值模拟研究方法，以便更好地用于机械加工处理。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。

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。

上述步骤（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，原子坐标等；

（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。

从模拟流程分析，分子动力学模拟是对所建立的模型进行初始参数定义，对粒子进行求解运动方程得到相轨迹的过程，最后统计体系的结构特性与性质。

上述步骤（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：分子动力学模拟的首要步骤是构建化学模型，即根据实际材料化学组成来定义它的微观结构，这包括体系所包含的原子种类和原子数目。在分子动力学模拟中需要根据模拟体系的特点和计算设备，确定合适的体系规模。