一種研磨液顆粒特性的耗散粒子動力學(xué)模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)械加工研磨技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種研磨液顆粒特性的耗散粒子動 力學(xué)模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前進(jìn)行耗散粒子動力學(xué)方法的軟件包括:Gromacs-DPD、FLUIDIX、Materials Studio、CULGI、DL-MESO、GPIUTMD、LAMMPS等，在粒子粗?；筮M(jìn)行模擬分析中選擇較多的 是Materials Studio (MS)軟件，它是美國Accelrys公司開發(fā)的一款為科學(xué)界解決材料微觀 分子、原子的軟件，通常用于解決化工、材料力學(xué)問題，它能夠建立立體分子模型進(jìn)而對其 進(jìn)行模型優(yōu)化，同時結(jié)合了量子力學(xué)、蒙特卡羅和耗散粒子動力學(xué)等模擬計算思想和方法， 可通過簡單模擬分析分子微觀結(jié)構(gòu)，預(yù)測分子材料宏觀性質(zhì)。
[0003] MS界面采用Microsoft界面，其對模塊化高度集成，通常使用者可利用各模塊進(jìn)行 設(shè)置、運(yùn)行和分析模型參數(shù)，通過分析測試計算結(jié)果。它通過使用不同模擬計算方法，進(jìn)而 對不同體系進(jìn)行研究。常用MS軟件模塊如表1所示。
[0004] 表1 MS軟件常用模塊簡介
[0006] 碳化硅磨粒，俗稱金剛砂，是純的無色晶體，密度為3.06-3.25之間，硬度很大，莫 氏9.5度，因此常用于流體加工中的粘性磨料，能有效去除小孔周邊毛刺，使圓角呈圓弧狀， 對工件內(nèi)壁表面達(dá)到拋光效果，加工效果顯著。
[0007] 耗散粒子動力學(xué)是在介觀尺度內(nèi)的一種模擬方法，根據(jù)其理論分析，選用常用的 三種磨粒:碳化硅、三氧化二鋁、氮化硼磨粒，首先通過建立晶胞團(tuán)簇模型，進(jìn)而對模型仿真 分析，通過分析其溫度、壓力等方面的數(shù)值，進(jìn)而選取出較合理的模型進(jìn)行下一步的仿真及 實驗研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 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力學(xué)模擬方法，以便更 好地改善研磨液顆粒特性的耗散粒子動力學(xué)模擬效果，方便根據(jù)需要使用。
[0009] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下。
[0010] -種研磨液顆粒特性的耗散粒子動力學(xué)模擬方法，具體步驟如下：
[0011 ] (1)建立初始結(jié)構(gòu)：運(yùn)行Material Studio(MS)軟件，，新建一個Project命名為晶 胞;打開新的文檔;工具欄選擇Sketch Atom工具繪制一個晶胞，點擊Clean工具修正得到合 理的幾何構(gòu)像；選擇菜單欄Modules上的Amorphous Cell，在下列列表中選取 Construction，打開Amorphous Cell Construct ion對話框；點擊Add將碳化娃原子添加到 體系中，單價Constituent moIecuIes欄中Number下的數(shù)字，設(shè)為100，溫度選擇為295K， Cell type選Periodic cell，其密度設(shè)置為3.22;設(shè)置完成后，得到碳化硅晶胞團(tuán)簇模型； [0012] (2)優(yōu)化體系：得到其碳化娃粒子模型后，通過選用Discover模塊中的Minimizer 對其進(jìn)行優(yōu)化，打開Discover Minimizer對話框相關(guān)設(shè)置，然后點擊Minimize按鈕開始優(yōu) 化;優(yōu)化結(jié)束之后，會在Project Explorer中創(chuàng)建新目錄Sketch IDisco Min，當(dāng)任務(wù)完成 之后，最小化的結(jié)構(gòu)會被存放在這個新目錄之下；
[0013] (3)耗散粒子動力學(xué)仿真模擬設(shè)置:通過以上模型建立及優(yōu)化，進(jìn)行Dro模擬分析； 選取DPD Calculation對話框，在Se tup設(shè)置欄下選取運(yùn)行模擬步數(shù)20000步，時間步長為 0 · 05，模擬時長為 1000;在Output periods中設(shè)置Frame every為 1000步長，Coordinates every為Iframes以及Restart file every為10000步;通過以上模型建立進(jìn)行無量綱化計 算，采用DPD模擬方法，使系統(tǒng)達(dá)到平衡態(tài)，因傳統(tǒng)DPD方法中保守力權(quán)函數(shù)具有排斥性，故 當(dāng)顆粒達(dá)到平衡態(tài)后，粒子均勻分布在整個區(qū)域，應(yīng)用保守力勢函數(shù)及改進(jìn)的積分算法，當(dāng) 經(jīng)驗系數(shù)為λ = 0.65繼續(xù)展開DH)模擬；
[0014] (4)耗散粒子動力學(xué)模擬結(jié)果分析:通過DPD模擬后，得到其壓力、溫度變化曲線、 原子坐標(biāo)下的壓力張量圖及壓力差異系數(shù)曲線;在對碳化硅顆粒進(jìn)行模擬的過程中，模擬 20000步時的壓力狀態(tài)呈遞減趨勢，壓力值從最初的24 · 5的狀態(tài)逐漸減小，在0至50時，此時 壓力遞減最為劇烈，加速度曲線明顯，從24.5的狀態(tài)遞減至22.8，DH)顆粒呈現(xiàn)出一定的受 壓形態(tài);從50至100模擬過程中，壓力維持22 · 6的受力，此刻逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，碳化硅DPD 磨粒也逐漸呈現(xiàn)穩(wěn)定的形態(tài)。同樣在碳化硅DH)顆粒模擬過程中，分析溫度的變化趨勢，初 始溫度選定1.3KT，在進(jìn)行初始模擬的過程中，從0至10模擬中，溫度從1.3KT大幅度降至 1.05KT，溫度也呈現(xiàn)出加速下滑狀態(tài)，此后從10至100模擬之中，碳化硅Dro粒子逐漸穩(wěn)定至 1.0 KT，Dro粒子也逐漸趨于穩(wěn)定;通過對其壓力張量分析，在X方向上，壓力張量最初維持在 22.65，經(jīng)過原子單元的變化，呈上下波動狀態(tài)，最高為22.70，最低為22.60，基本維持不變； 而在Y方向上，壓力張量呈現(xiàn)出劇烈的運(yùn)動狀態(tài)，在最初的原子坐標(biāo)下，由22.7狀態(tài)急劇下 滑到22.6，并且在3.5個單元的原子坐標(biāo)狀態(tài)下，達(dá)到最低值為22.5，其后維持上下波動幅 度減小，維持在22.6;而在Z方向上，隨著原子坐標(biāo)浮動，壓力張量也呈現(xiàn)出集聚變化的形 態(tài)，由最初的22.8開始，在達(dá)到頂峰值22.9后，也在3.5個單元的原子坐標(biāo)下，急劇下滑至 22.5，并且在其后狀態(tài)中，再次呈現(xiàn)急劇上升狀態(tài);隨著原子單元的增加，DH)粒子的壓力單 元由最初的-0.08增長到O狀態(tài)，在其后開始下降至最低值-0.12,通過原子單元增加，達(dá)到 頂峰值0.08，并穩(wěn)定了兩個坐標(biāo)后，開始呈遞減趨勢，又達(dá)到最初的狀態(tài)，在整個變化過程 中，呈現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài);經(jīng)過以上模擬，碳化硅晶格模型形態(tài)不斷變化，經(jīng)過20000步模擬的 壓力、張量等的波動，各參數(shù)數(shù)值逐漸趨于穩(wěn)定，最終得到碳化硅晶胞團(tuán)簇模型無定形體 系。
[0015] (5)三種不同磨粒晶胞模擬結(jié)果分析:通過對碳化硅晶胞團(tuán)簇模型的建立，對其團(tuán) 簇模型特性進(jìn)行分析之后，對于分析其介觀尺度內(nèi)的性能有了很好的研究，從而更好的反 映其宏觀性能;選取磨粒流加工中的磨粒還有:三氧化二鋁及氮化硼;三氧化二鋁粉末呈白 色狀，常用磨粒粒徑有2 · 5μπι、7μπι、14μL?、28μL?、120μπι和150μL?，其對工件磨削效果較好，能有 效去除小孔周邊毛刺及倒圓角;氮化硼磨粒是一種白色松散粉末，常用磨粒粒徑有3.5μπι、7 μL?、1 ΟμL?、14μπ?和40μL?，它的硬度較大，高于碳化硅粉末硬度，其切削能力強(qiáng);進(jìn)行同樣的參 數(shù)設(shè)置后，進(jìn)行DPD仿真分析，通過其壓力及溫度趨勢，結(jié)合碳化硅磨粒晶胞團(tuán)簇模型的特 性分析，進(jìn)行三種磨粒的晶胞團(tuán)簇模型數(shù)據(jù)對比；通過晶胞團(tuán)簇模型建立及仿真參數(shù)設(shè)置 后，對三種模型進(jìn)行DH)仿真分析，得出結(jié)果。
[0016] 進(jìn)一步地，三種模型進(jìn)行Dro仿真分析的結(jié)果為：
[0017] (1)三種模型在模擬時長1000下，仿真后得到的溫度及壓力變化都呈遞減趨勢，溫 度從1.3ΚΤ左右遞減至I. IOKT，壓力從25.0左右遞減至22.5;從初始模擬至100時，溫度遞減 率最大，遞減至1.15ΚΤ，之后呈平緩趨勢；從初始模擬至200時，壓力遞減率