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微细结构超精密加工工艺分子动力学仿真

作　者: 蔡焕平
导　师: 任成祖
学　校: 天津大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 分子动力学仿真超精密切削单晶铜截断半径
分类号: TH161
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着机械加工精度要求的不断提高,微细结构的超精密加工技术得到了不断发展,切削厚度已达到纳米量级。微细结构超精密加工发生在很小的区域内,材料是以离散的数个原子或原子层的方式去除,加工过程中的物理现象、基本规律等都和宏观加工存在巨大差别,因而对加工过程采用建立在传统连续介质力学基础上的切削理论来解释显然是不合适的。分子动力学仿真技术在验证实验结果,沟通宏观与微观方面表现突出,利用它来研究微细结构的切削机理,受到了越来越多的关注。本文简要介绍了分子动力学在微细结构纳米切削过程仿真中的应用,针对具体的仿真要求,分析了分子动力学仿真的条件参数及实现过程。对分子动力学仿真中的一些特殊要求如:刀具前角和后角、截断半径、载荷以及刀尖圆角等进行了分析和处理,将这些处理在仿真程序中进行了表达;采用模块化程序设计方法,编写了仿真程序,计算了分子动力学仿真中各原子的速度、位移、能量及切削力等参数。在不同的刀具角度、切削深度及晶体晶向的条件下分别对理想单晶铜材料和含缺陷(空穴)单晶铜材料进行了超精密切削的仿真研究,将分子动力学仿真结果与利用扫描探针显微技术得出的实验结果进行对比分析,分子动力学仿真结果与实验结果基本一致。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章绪论  7-16
  1.1 课题的研究意义  7
  1.2 微细结构超精密加工技术的研究状况  7-15
    1.2.1 微细结构超精密加工技术  7-9
    1.2.2 分子动力学仿真及其在微细结构切削中的应用  9-13
    1.2.3 其它仿真技术在微细结构切削中的应用  13-15
  1.3 本文拟研究的主要内容  15-16
第二章分子动力学仿真技术准备  16-21
  2.1 分子动力学仿真模型  16-17
  2.2 分子动力学仿真的积分算法  17-18
  2.3 截断半径  18-19
  2.4 系统运动方程的建立  19-20
  2.5 本章小结  20-21
第三章分子动力学仿真的程序实现  21-31
  3.1 分子动力学仿真方式  21
  3.2 整体构架设计及流程处理  21-22
  3.3 分支结构设计及流程处理  22-30
    3.3.1 程序初始化  22-23
    3.3.2 能量和力的计算  23-25
    3.3.3 施加载荷及约束  25-27
    3.3.4 运动方程积分求解  27-29
    3.3.5 结果的存储及可视化显示  29-30
  3.4 本章小结  30-31
第四章微细结构金属切削机理的仿真研究  31-54
  4.1 分子动力学仿真条件  31-34
  4.2 理想材料的分子动力学仿真分析  34-41
    4.2.1 刀具几何角度的影响  35-38
    4.2.2 切削深度的影响  38-41
  4.3 缺陷材料的分子动力学仿真分析  41-49
    4.3.1 刀具几何角度的影响  42-44
    4.3.2 切削深度的影响  44-46
    4.3.3 晶体晶向的影响  46-49
  4.4 实验验证  49-52
    4.4.1 表面材料的去除过程  50-51
    4.4.2 切削参数的影响  51-52
  4.5 本章小结  52-54
第五章全文总结及展望  54-56
  5.1 全文总结  54
  5.2 展望  54-56
参考文献  56-61
参加科研情况说明  61-62
致谢  62

微细结构超精密加工工艺分子动力学仿真

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