開題報告ppt-陶瓷材料的機(jī)械加工的離散元模擬及實驗研究

1、陶瓷材料的機(jī)械加工的離 散元模擬及實驗研究,提 綱,,,,,研究背景,工程陶瓷在全球市場的應(yīng)用,銷售額1989年 35億,銷售額1999年 81億,銷售額2004年 118億,1995-2000 平均每年遞增約6% 2002年 3012億 德國擁有歐洲最大的點(diǎn)陶瓷市場,日本 世界上工程陶瓷最大的生產(chǎn)者 2000年日本已占據(jù)世界50%的先進(jìn)陶瓷市場,美國,,,引導(dǎo)陶瓷的加工工藝,先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用

2、處于領(lǐng)先地位,軍事國防,,日本,歐洲,我國政府高度重視陶瓷加工技術(shù)的研究,國家”七五” “八五” “九五”科技攻關(guān)項目,863項目、國家自然基金(包括重點(diǎn)項目與面上項目) 都給予了資助,僅國家自然基金項目在1995年-2004年期間陶瓷加工的相關(guān)課題共資助19項,資助金額逾300萬元,理論基礎(chǔ),,陶瓷材料的切削機(jī)理,陶瓷材料的磨削機(jī)理,不同的加工方法基于不同的理論分析,2.1 磨削加工,,,不考慮切向力,,力學(xué)理論分析,,損傷力學(xué),,,

3、圖2.1 彈/塑性壓痕模型,圖2.2 陶瓷材料壓痕試驗的離散元模型示意圖,注: P 壓頭載荷; d0 壓入深度,相應(yīng)產(chǎn)生的塑性壓痕特征尺寸為d,數(shù)值模擬,,不連續(xù)介質(zhì),,,離散元方法,PFC軟件,,,,3.1離散元法,20世紀(jì)70年代初由Cundall首先提出 基本思想：是把研究對象分離為剛性元素 的集合，使每個元素滿足牛頓第二運(yùn)動方程，用中心差分的方法求解各元素的運(yùn)動方程，得到研究對象的整體運(yùn)動形態(tài) 顆粒離散元和塊體離

4、散元,3.2 顆粒運(yùn)動方程,,、,為元素i的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量,分別為元素i中心的位置和角度矢量,,,,,為元素i的鄰居j 對它的作用力,,為該作用力到元素i的中心力臂,分別為i元素所受的外力和外力矩,Ni是元素i的鄰居數(shù)目,N為模型中元素的總數(shù)目,,,,,,,,,,3.3 PFC軟件,基本假設(shè):1) 所有顆粒均為不可破裂的剛性體;2) 顆粒與顆粒之間的接觸區(qū)域為無窮小(如:點(diǎn)接觸)3) 接觸方式采用柔性接觸的方法(Sof

5、t-contact),剛性顆粒在接觸點(diǎn)發(fā)生疊合;4) 接觸區(qū)域遠(yuǎn)小于顆粒的大小,顆粒與顆粒之間的作用依據(jù)力-位移關(guān)系,由位移疊合量的大小決定;5) 顆粒與顆粒的接觸處存在鍵(bond);6) 所有顆粒均為圓形,但可以通過cluster或clump的方法生成不規(guī)則形狀的單元.,,,3.4 PFC力學(xué)模型及算法,牛頓運(yùn)動定律(作用在每個顆粒上)力和力矩,力-位移定律(作用在每個接觸上)相對運(yùn)動、本構(gòu)關(guān)系,更新顆粒,

6、墻的位置及接觸,接觸力,,,,,,,,,實際加工,,,,理論分析模型,,,,,,方程,,,,,,模擬模型,圖 單點(diǎn)切削加工磨削形成模型示意圖,數(shù)值模擬,陶瓷磨削,數(shù)值模擬,圖 SiC微切削過程的離散元模擬,圖 實際磨削,,,刀具,工件,切削,,,裂紋,陶瓷材料磨削,研究方向,數(shù)值模擬,,研究任務(wù): 利用周期邊界觀察刀具磨損,期望得到的結(jié)論: 觀察刀具在一個較長的切削時間內(nèi),裂紋的數(shù)目,裂紋擴(kuò)展的規(guī)律

7、,刀具的磨損量等,數(shù)值模擬,研究方向,研究的新穎點(diǎn): 利用周期邊界,周期邊界的優(yōu)點(diǎn): 能夠延長觀察的路程,但并不增大計算時間,1. 建立與實際力學(xué)性能相匹配的材料,2. 賦予速度或者邊界條件,3. PFC觀察現(xiàn)象,,為什么要模擬?,鑒定,是否與真實的現(xiàn)象一致?,預(yù)見現(xiàn)象,,,方案的可行性,數(shù)值模擬,,PFC手冊里面介紹了周期邊界,并描述了如何用Fish語言編程.,國外有許多學(xué)者用周期邊界做了一系列的模擬

8、研究,并發(fā)表了論文. 如: I.ordanoff ,M.Nouari , 等主要將周期邊界應(yīng)用在加工中三體磨損模擬; N.Fillot ,Y.Berthier 等主要將周期邊界應(yīng)用到實際接觸磨損(wheel-rail contact) B.Henrich等主要將周期邊界應(yīng)用到粉末燒結(jié),,數(shù)值模擬,周期邊界,-如何不用循環(huán)就能使顆粒處于穩(wěn)定狀態(tài),Activate pre-generated volume

9、s of material as the non-linear region extends out. Use periodic space to ensure matching of boundaries – e.g., TRUBAL (Cundall, 1987).,,p-cell image,復(fù)制構(gòu)成整個模型,注:當(dāng)整個模型構(gòu)建好之后,周期邊界關(guān)閉(switched off )!,,,,任意邊界能夠產(chǎn)生,,,周期邊界,,材料參數(shù)

10、匹配,微觀參數(shù)=?,宏觀現(xiàn)象=?,,模擬預(yù)見,剛性球&平行連接,變形強(qiáng)度,,,壓實,相應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu),空隙率,各向同性,,實驗(特征),biaxial tests,Brazilian tests,實際,實驗研究,圖 納米拋光機(jī),主要作用:前期的試樣的準(zhǔn)備,圖 馬爾表面粗糙度測量儀,主要作用:表面粗糙度測量,圖 Multi-Specimen Test System,實驗研究,計 劃,1.爭取在本學(xué)期內(nèi)能過初步建立模擬的模型.,