[发明专利]一种介观尺度条件下研磨液颗粒与工件的磨削模拟方法

权利要求书

1.一种介观尺度条件下的研磨液颗粒与工件磨削的数值模拟方法，其特征在于： 具体步骤如下：

(1)计算模型建立及初始条件：选取柴油发动机喷油嘴零件，入口处通道大孔端 口直径为4mm，喷嘴前端呈锥形状，均匀分布六个喷孔，小孔内径为0.16mm，通过CATIA 进行三维绘图，对不需要进行模拟的零件体部分，进行简化，保留大孔内部及小孔喷嘴 流道，得到其通道几何模型；通过建立喷油嘴三维实体模型及几何模型，为进行磨粒磨 削分析奠定基础，通过三维软件作图，结构分布合理之后，再进行FLUENT仿真模拟分 析；

(2)计算模型边界条件的设置，具体包括：

(a)入口边界条件：入口边界条件是指定入口处的流动变量，它包括速度入口边 界条件、压力入口边界条件和质量入口边界条件；其中速度入口边界条件为流动速度和 流动入口的流动属性相关的标量；而根据所选模型为离散相模型，故需要设定连续相与 离散相的情况；

连续相：喷油嘴通道进入口采用速度进口条件，设定此时进口处磨粒流为湍流状态， 在Model中选择选择k-epsilon模型，k-epsilonModel中选择Realizable，确认即可； 在能量模型中选取EnergyEquation激活能量方程；

离散相：进行不同粒径、不同温度、不同速度条件下进行模拟加工，选取的浓度为 10％，进行不同浓度模拟时，分别选取2％、4％、6％和8％；

(b)出口边界条件：由磨粒流磨削喷油嘴实际条件可知，出口端与外界想通，故设 定为自由出口；

(c)固体壁面边界条件：设置壁面为无滑移边界条件；针对壁面热边界条件，在 选取不同磨粒粒径、加工速度、体积分数时选取固定温度300K，在进行不同温度仿真时， 选取290K、300K、310K、320K进行模拟；

(3)模型网格的划分：根据喷油嘴的几何模型，因其形状较复杂，选取四面体网 格划分比较合理，划分方法比较简单，通过分块处理，以四面体网格对分块后的通道进 行划分并逐个设置网格疏密程度，从而达到控制网格数目与网格质量目的；

(4)仿真分析：通过对喷油嘴进行物理模型及几何模型的建立，并进行入口边界 条件、出口边界条件和壁面边界条件设置后，通过划分网格，即可进行仿真分析；进行 收敛判断；总体模型设定中，时间类型选择瞬态类型，连续相采用k-epsilon湍流模型， 根据喷油嘴模型的尺寸进行离散相跟踪计算的设置中，步长为0.001mm，最大步数为500 步；经过275次迭代，即达到收敛；

(5)加工参数对介观状态模拟的研究：选取500耗散粒子颗粒的进行仿真模拟， 分析在不同加工参数对多物理耦合场的影响，通过理论模拟探究其影响对实验加工的分 析，从而为实验加工提供理论指导。

2.根据权利要求1所述的介观尺度条件下的研磨液颗粒与工件磨削的数值模拟方 法，其特征在于：所述仿真分析具体包括以下方面：

(a)不同粒径下压力场的分析：初始条件的设定中，分别采用初始速度80m/s、加 工温度300K、体积分数为10％进行设定，选取四种介观尺度内的颗粒粒径为200μm、 400μm、600μm、800μm进行仿真模拟，得到四种不同粒径下的多物理耦合场的模拟结 果图像；

(b)不同粒径下温度场的分析：进行同样初始条件的设置后，进行磨粒对工件的 磨削过程中的温度场的分析；

(c)不同粒径下密度场的分析：进行同样初始条件的设置后，进行磨粒对工件的 磨削过程中的密度场的分析；

(d)不同粒径下速度场的分析：同样在选取相同的模拟设置参数，进行离散相的 模拟分析，在初始化的设置中，对XOYZ坐标中，仅设置了X方向的速度参数80m/s，通 过模拟后得到磨粒磨削工件后速度场的分布图像；

(e)不同粒径下湍流动能的分析：进行同样初始条件的设置后，进行磨粒对工件 的磨削过程中的湍流动能分析，发现随着磨粒开始进入喷油嘴开始，整个大孔腔体的湍 流动能最小，而随着磨粒逐渐进入内孔处时，在交叉口处，湍流动能开始增加，在小孔 内壁处达到最大，在小孔出口处有所减弱；

(f)不同粒径下粒子径迹分析：同样进行初始条件的设置后，进行磨粒对工件的 磨削过程中的湍流动能分析。

3.根据权利要求1所述的介观尺度条件下的研磨液颗粒与工件磨削的数值模拟方 法，其特征在于：所述加工参数对介观状态模拟的研究具体包括以下方面：

(a)不同浓度对磨粒加工的影响：首先探究不同磨料浓度对磨粒流加工的影响， 我们选取磨粒粒径为500μm的DPD颗粒作为模拟的研磨液颗粒，选取不同磨料的体积 分数进行分析，因其最大的磨料浓度不能超过10％-12％，故选择四个浓度变量为2％、4％、 6％和8％作为仿真的体积分数，观察其对压力场和湍流动能的影响；

(b)加工温度对颗粒磨削加工零件的影响：探究不同加工温度对磨粒流加工的影 响，选取不同加工温度进行分析，根据实地加工环境，及昼夜加工环境温度变化，选取 290K、300K、310K、320K作为仿真模拟的加工温度，通过改变加工温度观察其对压力场 和湍流动能的影响；首先进行动压力的分析，选取的设置参数为体积分数比例10％、磨 粒粒径仍为500μm进行实验分析；

(c)加工速度对颗粒磨削加工零件的影响：根据以上分析，加工温度和磨料浓度 都会对磨粒流加工产生影响，来分析加工速度对它的影响，首先进行参数的设置，设置 磨粒粒径为500μm、磨料浓度为10％、加工温度选择300K，不同速度参数为40m/s、 60m/s、80m/s及100m/s，其它参数不变进行仿真，观察其对动压力及湍流动能的影 响。