[发明专利]一种研磨液颗粒特性的耗散粒子动力学模拟方法

摘要

本发明涉及一种研磨液颗粒特性的耗散粒子动力学模拟方法，具体步骤如下：(1)建立初始结构；(2)优化体系；(3)耗散粒子动力学仿真模拟设置；(4)耗散粒子动力学模拟结果分析；(5)三种不同磨粒晶胞模拟结果分析。本发明选取了碳化硅、三氧化二铝、氮化硼三种常用的磨粒晶胞团簇模型进行DPD仿真模拟，通过建立模型、优化及仿真得到其温度、压力及原子坐标张量及压力差异系数等的变化趋势，并且通过对比三种磨粒模型，分析其介观形态进而对宏观性能进行研究，从中选取更适合实验的磨粒流加工的磨料，最后得到碳化硅磨粒压力及温度变化都较均匀，选取碳化硅颗粒进行下一步仿真模拟的磨粒，为之后进行的磨粒流抛光实验奠定了理论基础。

主权项

一种研磨液颗粒特性的耗散粒子动力学模拟方法，其特征在于：具体步骤如下：(1)建立初始结构：运行Material Studio软件，新建一个Project命名为晶胞；打开新的文档；工具栏选择Sketch Atom工具绘制一个晶胞，点击Clean工具修正得到合理的几何构像；选择菜单栏Modules上的Amorphous Cell，在下列列表中选取Construction，打开Amorphous Cell Construction对话框；点击Add将碳化硅原子添加到体系中，单价Constituent molecules栏中Number下的数字，设为100，温度选择为295K，Cell type选Periodic cell，其密度设置为3.22；设置完成后，得到碳化硅晶胞团簇模型；(2)优化体系：得到其碳化硅粒子模型后，通过选用Discover模块中的Minimizer对其进行优化，打开Discover Minimizer对话框相关设置，然后点击Minimize按钮开始优化；优化结束之后，会在Project Explorer中创建新目录Sketch 1Disco Min，当任务完成之后，最小化的结构会被存放在这个新目录之下；(3)耗散粒子动力学仿真模拟设置：通过以上模型建立及优化，进行DPD模拟分析；选取DPD Calculation对话框，在Setup设置栏下选取运行模拟步数20000步，时间步长为0.05，模拟时长为1000；在Output periods中设置Frame every为1000步长，Coordinates every为1frames以及Restart file every为10000步；通过以上模型建立进行无量纲化计算，采用DPD模拟方法，使系统达到平衡态，因传统DPD方法中保守力权函数具有排斥性，故当颗粒达到平衡态后，粒子均匀分布在整个区域，应用保守力势函数及改进的积分算法，当经验系数为0.65时继续展开DPD模拟；(4)耗散粒子动力学模拟结果分析：通过DPD模拟后，得到其压力、温度变化曲线、原子坐标下的压力张量图及压力差异系数曲线；在对碳化硅颗粒进行模拟的过程中，模拟20000步时的压力状态呈递减趋势，压力值从最初的24.5的状态逐渐减小，在0至50时，此时压力递减最为剧烈，加速度曲线明显，从24.5的状态递减至22.8，DPD颗粒呈现出一定的受压形态；从50至100模拟过程中，压力维持22.6的受力，此刻逐渐趋于稳定状态，碳化硅DPD磨粒也逐渐呈现稳定的形态；同样在碳化硅DPD颗粒模拟过程中，分析温度的变化趋势，初始温度选定1.3KT，在进行初始模拟的过程中，从0至10模拟中，温度从1.3KT大幅度降至1.05KT，温度也呈现出加速下滑状态，此后从10至100模拟之中，碳化硅DPD粒子逐渐稳定至1.0KT，DPD粒子也逐渐趋于稳定；通过对其压力张量分析，在X方向上，压力张量最初维持在22.65，经过原子单元的变化，呈上下波动状态，最高为22.70，最低为22.60，基本维持不变；而在Y方向上，压力张量呈现出剧烈的运动状态，在最初的原子坐标下，由22.7状态急剧下滑到22.6，并且在3.5个单元的原子坐标状态下，达到最低值为22.5，其后维持上下波动幅度减小，维持在22.6；而在Z方向上，随着原子坐标浮动，压力张量也呈现出集聚变化的形态，由最初的22.8开始，在达到顶峰值22.9后，也在3.5个单元的原子坐标下，急剧下滑至22.5，并且在其后状态中，再次呈现急剧上升状态；随着原子单元的增加，DPD粒子的压力单元由最初的‑0.08增长到0状态，在其后开始下降至最低值‑0.12，通过原子单元增加，达到顶峰值0.08，并稳定了两个坐标后，开始呈递减趋势，又达到最初的状态，在整个变化过程中，呈现不稳定的状态；经过以上模拟，碳化硅晶格模型形态不断变化，经过20000步模拟的压力、张量等的波动，各参数数值逐渐趋于稳定，最终得到碳化硅晶胞团簇模型无定形体系；(5)三种不同磨粒晶胞模拟结果分析：通过对碳化硅晶胞团簇模型的建立，对其团簇模型特性进行分析之后，对于分析其介观尺度内的性能有了很好的研究，从而更好的反映其宏观性能；选取磨粒流加工中的磨粒还有：三氧化二铝及氮化硼；三氧化二铝粉末呈白色状，常用磨粒粒径有2.5μm、7μm、14μm、28μm、120μm和150μm，其对工件磨削效果较好，能有效去除小孔周边毛刺及倒圆角；氮化硼磨粒是一种白色松散粉末，常用磨粒粒径有3.5μm、7μm、10μm、14μm和40μm，它的硬度较大，高于碳化硅粉末硬度，其切削能力强；进行同样的参数设置后，进行DPD仿真分析，通过其压力及温度趋势，结合碳化硅磨粒晶胞团簇模型的特性分析，进行三种磨粒的晶胞团簇模型数据对比；通过晶胞团簇模型建立及仿真参数设置后，对三种模型进行DPD仿真分析，得出结果。