一種研磨液顆粒特性的耗散粒子動(dòng)力學(xué)模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種研磨液顆粒特性的耗散粒子動(dòng)力學(xué)模擬方法，屬于機(jī)械加工模擬技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]研磨液是由一種具有粘彈性、柔軟性和切割性的半固態(tài)載體和一定量磨砂拌和而成的固-液兩相混合物。在兩相流中，固體和液體之間存在相互作用，固體顆粒在流體的作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)，由于流體相的驅(qū)動(dòng)作用，磨粒與磨粒之間、磨粒與零件表面之間產(chǎn)生相互碰撞，從而壁面不斷受到?jīng)_擊力和摩擦力而發(fā)生磨損。此磨損即為磨粒對(duì)被加工表面的磨削效果。研究研磨液顆粒的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)磨粒流加工的粘度、溫度、壓力等的控制及工件的精度都有現(xiàn)實(shí)意義。近年來，研究研磨液顆粒的動(dòng)力學(xué)特性，著眼于研磨液顆粒的宏觀特性，通過對(duì)顆粒的形態(tài)、聚集狀態(tài)的研究，通過傳統(tǒng)的有限差分法、有限元法、邊界元法和光滑粒子動(dòng)力學(xué)(smoothed particle hydrodynamics, SPH)等，對(duì)其在多物理親合場(chǎng)中進(jìn)行仿真分析，能夠得到宏觀狀態(tài)下對(duì)工件的磨削狀態(tài)，但其對(duì)工件的分析僅僅局限于肉眼所能看到的范圍，對(duì)其微觀狀態(tài)下的模擬不能進(jìn)行有效的分析。而近年來對(duì)物體微觀狀態(tài)的研究逐漸興起，在微觀狀態(tài)下，原子、電子和分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)起到顯著作用，在機(jī)械工程領(lǐng)域，微觀狀態(tài)下納米技術(shù)領(lǐng)域的引進(jìn)對(duì)精密、超精密加工帶來巨變，通過分析研磨液顆粒的原子狀態(tài)，在磨粒流加工過程中以離散的一個(gè)一個(gè)原子，若干個(gè)原子或原子層的方式被去除，應(yīng)用最廣泛的分子動(dòng)力學(xué)，對(duì)磨粒流加工過程能夠進(jìn)行微觀細(xì)致的分析，通過追蹤每個(gè)顆粒分子的位置和動(dòng)量從而對(duì)流體的流動(dòng)行為進(jìn)行模擬。雖然分子動(dòng)力學(xué)在模擬少數(shù)量的分子系統(tǒng)方面取得了相當(dāng)?shù)某晒?，但是由于?jì)算機(jī)速度的限制，目前分子動(dòng)力學(xué)所能計(jì)算的時(shí)空尺度還限于納秒、納米級(jí)。然而，與研磨液流體系統(tǒng)流動(dòng)性能直接相關(guān)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)物理特性往往處于毫秒、微米級(jí)時(shí)空尺度，即介觀尺度，分子動(dòng)力學(xué)用來模擬復(fù)雜流體時(shí)，對(duì)計(jì)算量的巨大需求使得模擬工作目前還不可行。介觀模擬實(shí)際上起到了在快速分子尺度的動(dòng)力學(xué)和慢速宏觀尺度的熱力學(xué)之間構(gòu)架聯(lián)系橋梁的作用。最早的介觀尺度模擬流體模擬技術(shù)室氣體格子法(lattice gas approach)，隨后的lattice-Boltzmann方法由于采用了分布函數(shù)而有了較大的改進(jìn)。耗散粒子動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)(dissipative particledynamics,簡(jiǎn)稱DPD)是一門新興的介觀尺度數(shù)值模擬技術(shù)，于1992年由Hoogerbrugge和Koelman提出，DPD方法是改進(jìn)格子氣自動(dòng)機(jī)的缺陷，也就是流體粒子需要沿著格子運(yùn)動(dòng)，之后引入了分子動(dòng)力學(xué)的部分原理，是流體粒子不受格子的限制，而是在相互作用力的作用下運(yùn)動(dòng)，DH)方法中采用的是不再與真實(shí)的粒子相對(duì)應(yīng)的粒子，采用的與高分子的幾個(gè)鏈段或流體的微小區(qū)域相對(duì)應(yīng)的“粒子”，DPD中的“粒子”具有粗粒化(coarse-graining)的概念，每顆粒子的運(yùn)動(dòng)代表的是大量分子(即所謂的流體粒子)集體行為，其粒子在連續(xù)的空間而非離散的格子上運(yùn)動(dòng)，遵循Galilean不變性，DPD方法是連續(xù)微觀分子動(dòng)力學(xué)方法和宏觀流體力學(xué)方法的一座橋梁，是一種真正的介觀尺度模擬技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種研磨液顆粒特性的耗散粒子動(dòng)力學(xué)模擬方法，以便更加有效地理解研磨液的顆粒行為，有助于應(yīng)用在精密機(jī)械加工領(lǐng)域，用以精密機(jī)械加工。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下。
[0005]—種研磨液顆粒特性的耗散粒子動(dòng)力學(xué)模擬方法，其具體步驟如下:
[0006](I)針對(duì)單個(gè)研磨液顆粒DH)粒子分析計(jì)算:選擇研磨液中碳化硅顆粒進(jìn)行分析，建立其Dro粒子模型。對(duì)碳化硅顆粒進(jìn)行建模過程中，碳化硅顆粒的數(shù)量選取一定的范圍，而其邊界條件也需要進(jìn)行重新定義，對(duì)于碳化硅原子的組成，由一個(gè)硅原子和兩個(gè)碳原子構(gòu)成，其初始狀態(tài)成一定的比例，在對(duì)其進(jìn)行多原子構(gòu)成時(shí)，選取一定的邊界條件。在計(jì)算機(jī)模擬設(shè)置中，100個(gè)相同的Dro粒子被投射到1X10的無量綱化的計(jì)算區(qū)域中，采用傳統(tǒng)的Dro方法，使系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的Dro方法中保守力權(quán)函數(shù)是純排斥的，達(dá)到平衡狀態(tài)后，DPD粒子大致均勻地布滿整個(gè)區(qū)域，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)后，應(yīng)用新的保守力勢(shì)函數(shù)及改進(jìn)的時(shí)間積分算法在經(jīng)驗(yàn)系數(shù)入=0.65時(shí)繼續(xù)展開Dro模擬。
[0007](2)針對(duì)不同數(shù)量的研磨液顆粒Dro粒子分析:選取100、200、300個(gè)Dro粒子進(jìn)行模擬對(duì)比，通過建立其Dro粒子模型，對(duì)其進(jìn)行耗散粒子動(dòng)力學(xué)模擬。分析計(jì)算后，其密度曲線、擴(kuò)散率、徑向分布函數(shù)曲線都有明顯的差異，通過對(duì)比，相比于100、200個(gè)Dro粒子，300個(gè)Dro粒子的模擬結(jié)果更加穩(wěn)定，且其凝聚狀態(tài)也比較好，總體呈現(xiàn)出均勻分布的狀態(tài)。在顯微鏡下觀察實(shí)際粒子的形態(tài)發(fā)現(xiàn)，其在宏觀狀態(tài)下的凝聚結(jié)果與其碳化硅Dro粒子的形態(tài)有相似性，也呈現(xiàn)出均勻分布的狀態(tài)，并且隨著宏觀顆粒的增加，分布更加均勻，間隙相對(duì)更小，分散狀態(tài)也較好，從另一方面得到與模擬分析相同的結(jié)果，對(duì)以后進(jìn)行碳化硅Dro顆粒狀態(tài)與液壓油及其他懸浮液的融合提供了理論基礎(chǔ)。
[0008](3)得出模擬結(jié)論:通過對(duì)研磨液顆粒的耗散粒子動(dòng)力學(xué)分析，其單顆粒Dro粒子的密度、壓力、溫度等的曲線與理論值的吻合較好，其對(duì)研磨液顆粒的介觀狀態(tài)提供了數(shù)值分析；當(dāng)增大模擬步數(shù)時(shí)，Dro粒子所受到的壓力逐漸減小，穩(wěn)定在22.4N左右，而溫度也隨著步數(shù)的增大呈遞減狀態(tài)，達(dá)到1KT，通過這些數(shù)值，我們能很好的對(duì)DPD顆粒進(jìn)行控制，并應(yīng)用到介觀分析中；對(duì)比不同數(shù)量的研磨液顆粒Dro粒子，其在介觀狀態(tài)下的凝聚狀態(tài)有所差異，穩(wěn)定性不同，密度大的Dro粒子凝聚狀態(tài)較好，對(duì)兩相流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較明顯的影響。
[0009]該發(fā)明的有益效果在于:該方法能有效地實(shí)現(xiàn)針對(duì)研磨液顆粒行為的理解和認(rèn)識(shí)，改善了研磨液顆粒特性研究和使用效果，方便更好地應(yīng)用于機(jī)械加工中，方便更好地控制和使用。
【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明實(shí)施例中所使用模型模擬過程中的壓力變化示意圖。
[0011]圖2是本發(fā)明實(shí)施例中所使用模型模擬過程中的溫度變化示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行描述，以便更好的理解本發(fā)明。
[0013]實(shí)施例
[0014]本實(shí)施例中的研磨液顆粒特性的耗散粒子動(dòng)力學(xué)模擬方法，其具體步驟如下:
[0015](I)針對(duì)單個(gè)研磨液顆粒Dro粒子分析計(jì)算:選擇研磨液中碳化硅(SiC)顆粒進(jìn)行分析，建立其Dro粒子模型。對(duì)碳化硅顆粒進(jìn)行建模過程中，碳化硅顆粒的數(shù)量選取一定的范圍，而其邊界條件也需要進(jìn)行重新定義，對(duì)于碳化硅原子的組成，由一個(gè)硅原子和兩個(gè)碳原子構(gòu)成，其初始狀態(tài)成一