[发明专利]一种脆性材料磨削过程建模仿真方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳米超精密加工数值仿真领域，涉及一种采用基于光滑粒子流体动力学方法的三维微纳米磨削加工仿真方法。

背景技术

随着科学技术的发展，光学玻璃越来越广泛地运用在光电通讯、航空航天以及国防工业等领域。然而由于其高脆性、高硬度、低断裂韧性，很难获得能满足日益发展的光学技术要求的超光滑表面。加工脆性材料的传统方法在加载和加工过程中容易产生微裂纹。这些微裂纹在后续加工的时候更容易导致脆性断裂，很难获得纳米级的光学表面，严重影响石英玻璃等脆性材料的应用。因此有大量研究集中在如何获得纳米级光学表面上。通过压痕、划痕等实验确定了玻璃类脆性材料可以在纳米尺度上以塑性方式去除，此时不会产生裂纹、崩碎等降低表面质量的行为。例如，TAMAKI J等在2009年日本11th International Symposium on Advances in Abrasive Technology会议发表的《Experimental analysis of elastic and plastic behavior in ductile-regime machining of glass quartz utilizing a diamond tool》，论文集235–240页。从工艺角度出发，磨削仍是广大学者们努力研究的方向。为了避免传统磨削方法带来的问题，一些辅助方法引入到磨削中。超声辅助磨削能够有效地降低磨削力、提高工件表面加工质量、降低工件表面损伤等；ELID磨削通过电解在线修整技术避免了磨具钝化和阻塞，降低了加工材料的磨削应力和磨削力，减少了对石英玻璃光学器件的表面和亚表面损伤。众多磨削手段的基本原理都是通过单颗粒磨削过程来揭示的，单颗磨粒磨削在磨削加工过程中可以排除其他磨粒的干涉影响，并在较大的可控范围内研究磨削参数的影响。但是，正如其他实验方法一样，由于加工和观测条件限制，单颗磨粒磨削实验仅能观察到部分加工结果，对于加工中微纳尺度上的材料行为并不能很好地展现出来。而数值仿真从另一个角度揭示材料加工机理，能准确地捕捉到诸如实时应力应变、材料分离过程等实验不容易得到的数据。适合于脆性材料高速加工的Johnson-Holmquist Ceramics材料本构模型，简称JH-2模型，详见JOHNSON GR,HOLMQUIST TJ.An improved computational constitutive model for brittle materials[C]//High-Pressure Science and Technology,Colorado Springs,USA,1994:981–4，适合仿真高速加工脆性材料。本发明采用的光滑粒子流体动力学(smoothing particle hydrodynamics，SPH)方法作为一种新兴的无网格的数值仿真方法，解决了有限元方法在处理大应变、大应变率时网格畸变等问题，能很好地模拟出脆性材料分离过程，同时与分子动力学相比，又不会受到尺度的限制，因此不需要考虑微观状态下作用势的问题。

发明内容

本发明的目的在于，改善现有加工技术上的不足，发明一种基于SPH方法的脆性材料超精密磨削仿真方法。通过建立被加工材料的SPH粒子模型和被简化的单颗磨粒模型，运用三次样条插值算法，采用适合于脆性材料高速加工的JH-2材料本构模型，并在美国有限元计算软件LS-DYNA中计算，通过脆性材料临界加工深度判据辅助判断，对仿真结果进行分析。该仿真方法能更加清晰准确地得到磨削加工过程中应力、应变、密度等数据，通过控制加工深度使得脆性材料在塑性域去除，更有利于获得较为理想的表面质量。节省了大量的人力成本、实验成本以及经济成本。

本发明采取的技术方案是一种脆性材料磨削过程仿真方法，以单个磨粒作为刀具对加工过程进行数值模拟的方法，其特征是，首先确定磨粒和被加工材料的尺寸，然后，在ANSYS里建立三维磨粒有限元模型，在LS-DYNA的前后处理软件LS-PrePost中建立工件材料的SPH模型，运用三次样条插值算法，采用适合于脆性材料高速加工的JH-2材料本构模型，再设置接触、边界、材料等参数，并在LS-DYNA中计算，最后，判断结果是否符合实际加工情况，对仿真结果进行分析。仿真方法具体步骤如下：

步骤1：规划仿真尺度并设计被加工材料和磨粒的尺寸；

根据实际脆性材料超精密加工极限尺寸来规划仿真尺度，进而设计合理的被加工材料和单颗磨粒的尺寸，被加工材料和磨粒的尺寸的选择要完整地表达出材料分离过程。