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多晶体材料纳米切削加工分子动力学仿真研究

作 者: 刘飞
导 师: 梁迎春
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 机械制造及其自动
关键词: 分子动力学仿真 纳米切削加工 Voronoi方法 多晶体材料
分类号: TB383.1
类 型: 硕士论文
年 份: 2009年
下 载: 126次
引 用: 2次
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内容摘要


纳米加工技术的发展使得纳机电系统制造成为可能。当被加工材料尺寸达到纳米量级时,由于小尺寸效应、量子效应及表面效应的影响,纳米加工的理论与方法和传统机械加工有着本质的不同,材料的力学特性、缺陷、载荷特性和失效机理等都将发生质的变化。依据经典连续介质力学建立起的机械加工理论将不能直接应用在纳米加工技术当中,必须应用近代物理学的最新成果,从原子尺度上去研究纳米加工机理。目前,已有大量学者应用分子动力学方法对单晶材料的纳米加工过程进行了仿真研究,但在实际加工过程中,被加工工件多为多晶体材料。因此,对多晶体材料的纳米加工过程的仿真研究就显得非常重要。本文以分子动力学方法为研究工具,首先使用Voronoi方法建立多晶铜和多晶硅的微观结构模型,在此基础上,结合单晶材料的纳米切削模型,提出了基于分子动力学方法的多晶铜和多晶硅的纳米切削模型。然后从微观变形机理、切削力变化角度分别将多晶铜与单晶铜以及多晶硅和单晶硅纳米切削过程进行了对比分析,探索了多晶铜和多晶硅纳米切削加工的变形机理和切削力变化规律。随后研究了在不同切削深度、切削速度和刀具前角条件下多晶硅和多晶铜工件形态和切削力的变化规律。这对于全面认识多晶体材料纳米切削加工机理具有重要的理论意义和实用价值,同时将为纳米加工技术的进一步发展提供必要的理论基础。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-18
  1.1 课题来源及研究目的和意义  9-11
    1.1.1 研究来源  9
    1.1.2 研究目的和意义  9-11
  1.2 纳米切削加工的分子动力学仿真国内外研究简介  11-17
    1.2.1 纳米加工机理的研究  11-14
    1.2.2 纳米加工分子动力学模型的发展  14-17
    1.2.3 纳米加工分子动力学仿真存在的不足  17
  1.3 本课题的主要内容  17-18
第2章 分子动力学的理论基础  18-30
  2.1 分子动力学基本思想及理论依据  18-21
    2.1.1 分子动力学的基本思想  18-19
    2.1.2 分子动力学方法的统计力学理论依据  19-21
  2.2 纳米切削分子动力仿真程序设计  21-29
    2.2.1 仿真程序流程的设计  21-22
    2.2.2 原子间的势函数的确定  22-26
    2.2.3 分子动力学基本运动方程及原子间作用力的计算  26-27
    2.2.4 分子动力学积分算法  27-28
    2.2.5 分子动力学加速算法及时间步长的选择  28-29
  2.3 本章小结  29-30
第3章 多晶材料纳米切削过程分析  30-46
  3.1 多晶材料纳米切削模型的建立  30-38
    3.1.1 纳米多晶材料的微观结构  30-32
    3.1.2 纳米多晶材料微观结构的构造方法  32-33
    3.1.3 纳米多晶材料微观模型的建立  33-38
  3.2 纳米多晶铜与单晶铜切削过程对比分析  38-41
    3.2.1 切削过程工件形态变化对比分析  38-40
    3.2.2 切削力变化对比分析  40-41
  3.3 纳米多晶硅与单晶硅切削过程对比分析  41-44
    3.3.1 切削过程工件形态变化对比分析  41-44
    3.3.2 切削过程中切削力变化的对比分析  44
  3.4 本章小结  44-46
第4章 切削条件对多晶材料纳米切削过程的影响  46-56
  4.1 切削深度对多晶材料纳米切削过程的影响  46-49
    4.1.1 切削深度对工件形态变化的影响  46-48
    4.1.2 切削深度对切削力的影响  48-49
  4.2 切削速度对多晶材料纳米切削过程的影响  49-52
    4.2.1 切削速度对工件形态变化的影响  50-51
    4.2.2 切削速度对切削力的影响  51-52
  4.3 刀具前角对多晶材料纳米切削过程的影响  52-54
    4.3.1 刀具前角对工件形态变化的影响  52-54
    4.3.2 刀具前角对切削力的影响  54
  4.4 本章小结  54-56
结论  56-58
参考文献  58-63
攻读学位期间发表的学术论文  63-65
致谢  65

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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