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基于准连续介质力学的单晶铜纳米级切削过程仿真研究

作　者: 郭文朝
导　师: 王晓军
学　校: 吉林大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 多尺度仿真准连续介质法纳米切削单晶铜位错
分类号: TG501.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着超精密和纳米切削加工技术的发展，通过单点金刚石车削、金刚石砂轮磨削和AFM刻划等方式可以实现工件材料纳米量级的切屑去除，但受到表面效应、小尺度效应等的影响，切削过程中的切屑去除与加工表面形成机理都与传统加工有着明显的差异，所以采用传统的宏观连续介质力学方法，如有限元理论来解释纳米切削机理会造成显著的误差，而近年来迅速发展的分子动力学方法受限于计算机硬件条件的限制，模型尺寸常限于数纳米至数十纳米之内，所以就有必要进行“跨原子/连续介质”的多尺度分析，实现计算精度与计算效率的兼顾。准连续介质法是一种发展时间较长、影响较大的“跨原子/连续介质”多尺度分析方法，在材料变形与破坏的多尺度数值模拟方面展现了广阔的应用前景。本文将采用准连续介质法，对单晶铜纳米切削过程进行仿真研究。本文首先详述了多尺度仿真的发展及应用现状，并将准连续介质法与有限元、分子动力学方法进行了比较，然后通过研究准连续介质法的基本原理和建模技术，建立了单晶铜纳米切削过程的“跨原子/连续介质”多尺度仿真模型。其次，通过建立的多尺度仿真模型，研究了单晶铜的切屑去除与加工表面形成机理，分析了加工过程中的内应力分布变化及位错演化机理，揭示了切削力及应变能演化对位错运动的本质依赖。然后研究了刀具前角、后角和刃口半径这三个刀具轮廓参数以及切削厚度和工件晶向参数对单晶铜纳米级切削过程的影响。研究了不同切削参数对纳米切削加工过程的影响。分析了不同刀具轮廓参数下材料受力状态、变形方式的异同以及不同刀具轮廓参数对切削力、应变能的影响。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第1章绪论  10-22
  1.1 课题背景及研究的目的与意义  10-11
  1.2 准连续介质法的发展及应用现状  11-15
    1.2.1 准连续介质法的发展简介  11-12
    1.2.2 准连续介质法的应用概况  12-13
    1.2.3 准连续介质法的优势与不足  13-15
  1.3 纳米切削仿真的国内外研究现状  15-21
    1.3.1 纳米切削与常规切削的差异  15-16
    1.3.2 纳米切削仿真的国内外研究现状  16-21
  1.4 论文研究内容  21-22
第2章准连续介质法的原理和建模技术  22-40
  2.1 引言  22
  2.2 准连续介质法的基本原理  22-30
    2.2.1 原子建模  22-23
    2.2.2 减少自由度  23-25
    2.2.3 局部 QC 方法——提高效率  25
    2.2.4 非局部 QC 方法——精确计算  25-26
    2.2.5 局部/非局部区域的耦合  26-29
    2.2.6 网格自适应划分  29-30
  2.3 纳米切削多尺度仿真的建模技术  30-37
    2.3.1 QC 多尺度仿真的平台搭建  31
    2.3.2 QC 仿真程序的构成  31-32
    2.3.3 QC 多尺度仿真分析流程图  32-37
  2.4 本章小结  37-40
第3章单晶铜纳米切削机理的多尺度分析  40-50
  3.1 引言  40
  3.2 纳米切削多尺度仿真模型的建立  40-41
  3.3 仿真条件  41
  3.4 单晶铜纳米级切削过程分析  41-48
    3.4.1 内应力及位错演化机理分析  41-44
    3.4.2 切屑去除及加工表面的形成机理分析  44-45
    3.4.3 切削力分析  45-47
    3.4.4 应变能分析  47-48
  3.5 本章小结  48-50
第4章单晶铜纳米切削过程的影响因素研究  50-76
  4.1 引言  50
  4.2 切削厚度对单晶铜纳米级切削过程的影响  50-55
    4.2.1 切削厚度对材料去除机理的影响  51-53
    4.2.2 切削力及尺寸效应现象分析  53-55
    4.2.3 应变能分析  55
  4.3 工件晶向和切削方向对纳米切削过程的影响  55-61
    4.3.1 不同晶体取向下的材料变形机理  57-59
    4.3.2 不同晶体取向下的切削力变化  59-60
    4.3.3 系统应变能变化  60-61
  4.4 刀具刃口半径对单晶铜纳米级切削过程的影响  61-66
    4.4.1 材料变形机理及最小切削厚度分析  62-64
    4.4.2 刀具刃口半径对切削力的影响  64-65
    4.4.3 系统应变能变化  65-66
  4.5 刀具前角对单晶铜纳米级切削过程的影响  66-70
    4.5.1 刀具前角对材料去除机理的影响  66-69
    4.5.2 刀具前角对切削力及应变能的影响  69-70
  4.6 刀具后角对单晶铜纳米级切削过程的影响  70-74
    4.6.1 刀具后角对材料去除机理的影响  71-72
    4.6.2 刀具后角对切削力及应变能的影响  72-74
  4.7 本章小结  74-76
第5章结论与展望  76-78
  5.1 结论  76-77
  5.2 展望  77-78
参考文献  78-84
致谢  84

基于准连续介质力学的单晶铜纳米级切削过程仿真研究

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