[发明专利]一种高效的纳米切削分子动力学数值模拟方法

说明书

本发明涉及一种高效的纳米切削分子动力学数值模拟方法，在仿真开始时只建立工件模型的局部片段，随着刀具向前运动并足够接近当前工件边界时，将新的材料片段接入当前工件前方；同时，在仿真的中后期，对远离刀具的已切削部分原子进行删除，在整个计算周期内工件模型是动态调整的。

技术领域

本发明属于超精密加工领域，涉及一种高效的纳米切削分子动力学数值模拟方法。

背景技术

光学、微电子等高技术领域对关键器件的表面质量、形状精度及复杂度的要求日益提高，超精密加工则是满足此需求的核心技术，其中的金刚石超精密切削已经成为光学自由曲面加工的主流方法。高表面质量与精度的实现需要采用纳米尺度的材料去除量进行加工，这可以由锋利的单晶金刚石刀具刃口以及超精密机床的运动精度来保证。低材料去除量的另一个重要作用是能够使传统宏观意义上的脆性材料发生延性域去除，即切削时不出现表面碎裂损伤。因此，超精密切削(有时候也称作纳米切削)不仅能加工塑性材料，也是获得诸如晶体、陶瓷等硬脆性材料光学级表面的重要方法。

切削理论的研究一直以来对理解加工过程、优化工艺参数、提出加工新方法具有关键作用。传统(宏观)切削已经能够采用著名的剪切理论描述，相比之下，纳米切削理论目前尚未成熟，一个主要原因就是尺寸效应的出现：当加工过程发生在纳米尺度时，刀具刃口已经不能看做是绝对锋利的尖点，而是具有近似圆弧形状的轮廓(刃口半径)；同时，材料在纳米尺度下的力学行为与宏观尺度也截然不同，这些因素导致了剪切理论无法正确描述纳米切削，而分子动力学仿真技术成为了纳米切削机理研究的重要工具。

分子动力学仿真在该领域的研究中具有两大优势：首先，数值模拟可以弥补实验技术的缺陷，如材料内部应力场、温度场的分析，并且很容易模拟各种工艺参数下的加工过程，可重复性高；其次，与有限元方法相比，分子动力学在原子尺度对工件与刀具进行建模，能够更加精确地反应不同原子间的相互作用，有效避免了有限元法中材料本构不准确、刀尖处网格畸变严重等问题，因此成为了纳米切削仿真的主流方法。然而，也正是由于分子动力学将物理系统严格按照原子尺度信息建模，其能够处理的时间与空间尺度受到计算机运算资源的严重限制。尤其是空间尺度的限制使得模型尺寸与实际的超精密加工相差甚远，例如，商用的单晶金刚石刀具刃口半径一般在50～70nm，切削深度一般在几十到一百多纳米(脆性材料)，而目前仿真能够处理的刃口半径与切削深度一般都在20nm以下。因此，提高纳米切削分子动力学模拟的计算效率是亟待解决的问题，对切削理论与工艺的研究具有重要意义。

发明目的

针对上述问题，本发明的目的是克服现有的纳米切削分子动力学仿真过程的缺陷，提供一种高效的纳米切削分子动力学数值模拟方法，将对工件的整体建模转变为局部动态建模，旨在减少全计算周期内模型中的原子数，以有效提高计算效率。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种高效的纳米切削分子动力学数值模拟方法，在仿真开始时只建立工件模型的局部片段，随着刀具向前运动并足够接近当前工件边界时，将新的材料片段接入当前工件前方；同时，在仿真的中后期，对远离刀具的已切削部分原子进行删除，在整个计算周期内工件模型是动态调整的，包括下列三个步骤：

1)确定仿真参数：包括工件模型与刀具的晶格结构，工件模型的长度、高度与厚度，刀具的刃口半径、前角与后角，切削深度与速度，并确定包括原子间相互作用的势能函数和时间积分步长的分子动力学计算相关参数；设H为工件模型高度，O为刀具刃口半径对应的圆心，L为此圆心与前方工件边界的距离，H与L大于4倍切削深度；

2)工件模型的拼接：随着计算的进行，L不断减小，当L达到4倍切削深度时进行拼接；将与工件模型等高的材料片段与当前模型的边界对齐，需要保证交界处具有正常的原子排列而不出现畸变，实现原工件模型沿切削方向的延长；

3)工件模型的裁剪：设刀具刃口圆心为O，刃口半径为r，计算时保留刀具后方长度范围D内的工件模型，将该范围外的工件原子删除。