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基于准连续介质力学多尺度方法的纳米切削仿真研究

作　者: 陈晓韦
导　师: 张效栋
学　校: 天津大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 纳米切削多尺度方法准连续介质力学
分类号: TG506
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

纳米切削是加工高精度光学表面的有效手段。当切削厚度从微米级跨到纳米量级时，切削过程发生了从量变到质变的过程。纳米切削过程的实质是破坏原子之间的成键。由于纳米切削的不连续性、离散性，传统的连续介质力学分析方法不再满足要求。现如今探究纳米级切削机理的主要手段是借助分子动力学分析方法（MD）。可是这种方法能够计算的空间尺度有限、在模拟过程中边界条件的设置也降低了计算的精度，因此探究新的多尺度模拟方法具有重要意义。准连续介质力学方法是常见的多尺度方法之一，借用Cauchy-Born法则，将原子分析方法和有限元方法耦合起来，在不失计算精度的前提下扩大模拟的尺寸。本文旨在借助准连续介质力学多尺度方法研究单晶材料的纳米切削过程并对其进行分析，探究新的适合纳米切削的模拟方法。论文的主要内容概括如下：（1）通过对比实验研究各种类型多尺度模拟方法，针对纳米切削特性进行模拟方法的优选。针对准连续介质力学方法（QC）、桥接法（BD）、离散位错动力学算法（CADD）等典型多尺度模拟方法，分别进行含有偶极位错的单晶铝的剪切变形实验。对比结果发现QC方法的计算时间最短，与原子方法相比效率提高了近80%；同时载荷曲线和原子方法的较为接近，因此在本文的研究过程中选择了准连续介质力学方法（QC）。（2）围绕纳米切削的特点，利用FORTRAN语言编写了准连续介质力学纳米切削程序，建立了能够实现纳米切削的仿真平台。纳米切削准连续介质力学多尺度仿真程序主要包括五部分，分别是：划分网格的子程序user-mesh；设置边界条件的子程序user-bcon；读取材料势函数的子程序user-potential及施加载荷的子程序user-pdel和输出相关参量的子程序user-plot。模拟仿真试验中刀具的形状设置成圆弧形与实际的纳米切削实验更接近，工件尺寸是100nm×200nm。（3）以单晶铜为研究对象，探究了准连续介质力学仿真平台实现纳米切削的有效性。重点分析已加工表面的形成过程，切削力和切削比能的变化。结果显示已加工表面是在刀具对工件的碾压作用下形成的；伴随着切削厚度的增加，平均切削力增加，切削比能减少，引起这一现象的主要原因是，切削厚度增加需要去除的原子数目增多，去除的材料体积增大。后续研究了不同晶向对纳米切削过程的影响，结果显示晶面选为（111）面，晶向选为[10(?)]时，位错滑移方向和切削方向平行，工件内部的变形层最小，残余应力的值最小，进行纳米切削得到质量较高的单晶铜表面。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-16
  1.1 课题研究的目的和意义  8-11
  1.2 准连续介质力学国内外研究现状和背景  11-14
  1.3 课题来源和主要研究内容  14-16
第二章多尺度方法原理及优选  16-40
  2.1 跨第一原理/原子/宏观多尺度变形与破坏分析方法（MAAD 方法）  17-20
    2.1.1 MAAD 方法简介  17-19
    2.1.2 握手区的设计  19-20
  2.2 搭接区多尺度分析方法（Bridging Domain）  20-21
  2.3 准连续介质力学方法（QC）  21-32
    2.3.1 原子模型的建立  22-24
    2.3.2 自由度的减少  24-25
    2.3.3 Cauchy-Born 法则和局部 QC 方法  25-27
    2.3.4 非局部 QC 中的控制方程  27-28
    2.3.5 “鬼力”的修正  28-31
    2.3.6 网格自适应过程  31-32
  2.4 QC 和离散位错动力学耦合的多尺度分析方法（CADD）  32-34
  2.5 带有偶极位错的单晶铝剪切变形实验研究  34-39
    2.5.1 剪切变形模型构建  34-35
    2.5.2 单晶铝剪切变形原子方法（Exact-EB）分析  35-36
    2.5.3 计算时间比较  36-37
    2.5.4 原子位移误差  37-39
  2.6 本章小结  39-40
第三章准连续介质力学多尺度纳米切削仿真平台  40-51
  3.1 单晶铜纳米切削多尺度仿真建模  40-46
    3.1.1 初始化  40-41
    3.1.2 时间步长的确定  41
    3.1.3 仿真过程数值分析计算方法的选择  41
    3.1.4 势函数的选取  41-44
    3.1.5 单晶材料的面心立方结构  44-45
    3.1.6 单晶铜纳米切削模型建立  45-46
  3.2 单晶铜纳米切削多尺度仿真平台的实现  46-50
  3.3 本章小结  50-51
第四章单晶铜纳米切削多尺度仿真结果分析  51-65
  4.1 切削厚度对单晶铜纳米切削过程的影响  51-53
  4.2 单晶铜纳米切削过程切削力分析  53-55
  4.3 已加工表面成形分析  55-56
  4.4 切削比能分析  56-57
  4.5 不同的势函数参数对纳米切削过程的影响  57-58
  4.6 晶向对切削过程的影响分析  58-64
    4.6.1 不同晶面晶向组合中材料变形分析  58-63
    4.6.2 不同晶向晶面组合中残余应力的分布  63-64
  4.7 本章小结  64-65
第五章总结与展望  65-67
  5.1 总结  65-66
  5.2 展望  66-67
参考文献  67-71
发表论文和科研情况说明  71-72
致谢  72

基于准连续介质力学多尺度方法的纳米切削仿真研究

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