開題報(bào)告ppt-陶瓷材料預(yù)應(yīng)力加工機(jī)理的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究

1、陶瓷材料預(yù)應(yīng)力加工機(jī)理的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究,院 系： 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)及理論 方 向： 超精密加工摩擦學(xué)導(dǎo) 師： 譚援強(qiáng) 教授 碩 士： 姜?jiǎng)購?qiáng) 日 期： 2009年4月,目錄,一、課題的背景、來源及研究意義二、前人的研究成果三、本課題的研究內(nèi)容和目標(biāo)四、已有實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)方案五、進(jìn)展情況、存在的問題及擬解決方法六、課題研究的進(jìn)

2、度安排,1、陶瓷材料的簡介,陶瓷：離子鍵和共價(jià)鍵 耐熱、耐磨、耐腐蝕、絕緣、抗蠕變性 能好、硬度高、彈性模量高； 塑性韌性差、 強(qiáng)度可靠性差。 結(jié)構(gòu)材料：耐火材料、陶瓷刀具、砂輪等 功能材料：半導(dǎo)體,非線性壓敏電阻材料等,

3、,力學(xué)性能,,用 途,2、陶瓷材料的加工,,,,精密、超精密切削,精密、超精密磨削及研磨,精密、超精密特種加工,,3、陶瓷材料的磨削機(jī)理,通過空隙和裂紋的形成或擴(kuò)展、剝落及碎裂等方式來完成。,材料是以剪切切屑成形方式去除。,,,壓痕斷裂力學(xué)模型,切削加工模型,,陶瓷磨削材料去除機(jī)理與陶瓷磨削力學(xué)損傷之間的關(guān)系,,塑性去除,,脆性斷裂去除,材料產(chǎn)生塑性流動(dòng)，影響加工表面的微觀不平度，會(huì)產(chǎn)生表面殘余應(yīng)力。,破壞已加工表面的完整性，并

4、殘留裂紋損傷。,,,4、課題的研究思路,理 論 分 析,數(shù) 值 模 擬,實(shí) 驗(yàn) 研 究,斷裂力學(xué)：預(yù)應(yīng)力下裂紋的擴(kuò)展,PFC：不同參數(shù)條件下的數(shù)值模擬（殘余應(yīng)力、裂紋、熱應(yīng)力）,不同參數(shù)條件下的劃痕實(shí)驗(yàn)、磨削實(shí)驗(yàn),5、離散元法簡介,把研究對象分離為剛性元素的 集合，使每個(gè)元素滿足牛頓第 二運(yùn)動(dòng)方程，用中心差分的方

5、 法求解各元素的運(yùn)動(dòng)方程，得 到研究對象的整體運(yùn)動(dòng)形態(tài)。,,基本思想,,應(yīng)用領(lǐng)域,巖石、土力學(xué)、陶瓷加工等。粉體壓實(shí)、散體顆粒輸送等。,,6、BPM模型,通過鍵連接的方式將顆粒與其 相鄰的顆粒粘結(jié)在一起形成任意形狀的組合體來模擬塊體材料。,,作 用,7、BPM模型的局限性,,,,陶瓷斷裂,模 型,,沿晶斷裂,穿晶斷裂,,剛性小球,鍵 斷

6、裂,,8、完善BPM模型，優(yōu)化cluster,剛性小球，球間可以拉伸破壞，也可以壓縮疊加 。,Clump,Cluster,顆粒之間的粘結(jié)不會(huì)發(fā)生破壞，即整個(gè)聚?？梢钥醋鲆粋€(gè)超級大顆粒。,顆粒簇在受到大于其粘結(jié)強(qiáng)度的外力時(shí)，形成顆粒簇的顆粒間的粘結(jié)會(huì)破壞，以致顆粒簇內(nèi)部的顆粒會(huì)分離，常用來模擬顆粒的破碎行為。,Cluster置換ball,尋找周圍的ball構(gòu)成cluster,,9、陶瓷模型的建立,,單軸壓縮試驗(yàn),,E,?,UCS,,巴西試

7、驗(yàn),σt,,三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),σb3,,斷裂韌性試驗(yàn),K IC,SIC陶瓷二維離散元模型與實(shí)測主要力學(xué)性能比較,,10、實(shí)際加工存在的問題,,產(chǎn) 生 崩 豁,,產(chǎn)生原因,,,一、材料被切部分與已加工表面的最后分離不是由于正常切削，而是出于拉伸破壞所致。即切削產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力大于材料的抗拉強(qiáng)度允許值時(shí)，就會(huì)發(fā)生崩裂。,二、切削陶瓷形成崩碎切屑時(shí)，切屑變形所產(chǎn)生的龜裂往向下延伸，在切削所產(chǎn)生的拉應(yīng)力的作用下，切屑連同被加工件基體的一部分一起崩落下

8、來形成崩豁。,11、采取措施——預(yù)應(yīng)力加工,改變應(yīng)力狀態(tài)來增大工件材料的“塑性”,,,預(yù)應(yīng)力加工技術(shù),,預(yù)先在工件待加工表面一定深度內(nèi)施加彈性范圍的拉伸/壓縮應(yīng)力,,保持工件在該應(yīng)力作用下進(jìn)行切削或磨削加工，利用刀具對加工表面的擠壓作用，將部分預(yù)應(yīng)力通過塑性變形固化在工件表層,,,改變已加工表面殘余應(yīng)力狀態(tài)，使已加工表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。通過調(diào)整預(yù)應(yīng)力的大小和施加方式，達(dá)到對殘余應(yīng)力大小和深度的控制。,,壓痕裂紋擴(kuò)展模擬,σ0為施加的約束

9、應(yīng)力，σc為材料的抗壓強(qiáng)度,12、課題的來源,國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于離散元模擬和實(shí)驗(yàn)的陶瓷材料預(yù)應(yīng)力磨削加工機(jī)理及技術(shù)研究”(50875224) 。教育部新世紀(jì)人才培養(yǎng)計(jì)劃(NCET06-0708)。,13、研究意義,開發(fā)新的精密加工技術(shù)、優(yōu)化加工工藝參數(shù)能夠提高加工質(zhì)量和加工效率，以及降低生產(chǎn)成本；闡明陶瓷材料力學(xué)性能－加工工藝－損傷之間的關(guān)系，建立預(yù)應(yīng)力磨削的工藝技術(shù)基礎(chǔ)。對發(fā)展高效、低損傷的陶瓷材料預(yù)應(yīng)力磨削新工藝有重要

10、的科學(xué)意義和工程應(yīng)用背景。,目錄,一、課題的背景概述及研究意義二、前人的研究成果三、本課題研究的內(nèi)容和目標(biāo)四、已有實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)方案五、進(jìn)展情況、存在的問題及擬解決方法六、課題研究的進(jìn)度安排,最近幾年有大量研究集中在陶瓷材料的去除方面，廣泛的實(shí)驗(yàn)研究了陶瓷材料的表面/亞表面的破壞，并且劃痕測試用于研究陶瓷裂紋和破壞的行為。Lawn建立了陶瓷材料加工的力學(xué)模型，提出了基于壓痕斷裂力學(xué)的裂紋體系概念。由于陶瓷材料的斷裂韌性很低

11、，壓痕測試常用來驗(yàn)證磨削中微觀裂紋的形成和擴(kuò)張。,有限元法用于模擬陶瓷材料的壓痕和機(jī)械加工。Zhang等把連續(xù)損傷力學(xué)引入陶瓷材料的機(jī)械加工過程中用來預(yù)測材料的破壞。最近分子動(dòng)力學(xué)用來模擬多晶材料的機(jī)械加工過程和在原子尺度上分析機(jī)械行為，但研究還不夠廣泛。離散單元法用來模擬非連續(xù)脆性材料的斷裂，目前有應(yīng)用于巖石，混凝土等。,目錄,一、課題的背景概述及研究意義二、前人的研究成果三、本課題研究的內(nèi)容和目標(biāo)四、已有實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)方

12、案五、進(jìn)展情況、存在的問題及擬解決方法六、課題研究的進(jìn)度安排,優(yōu)化Cluster技術(shù)完善陶瓷材料的離散元模型，建立陶瓷預(yù)應(yīng)力下彈塑性斷裂分析數(shù)學(xué)模型；陶瓷材料預(yù)應(yīng)力下切削、磨削實(shí)驗(yàn)中裂紋擴(kuò)展的離散元模擬與分析；陶瓷材料預(yù)應(yīng)力下切削、磨削實(shí)驗(yàn)中殘余應(yīng)力的離散元模擬與分析；設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力施加實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力條件下的壓痕、劃痕實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行觀測分析；進(jìn)行不同預(yù)應(yīng)力條件下磨削實(shí)驗(yàn)，觀察裂紋擴(kuò)展、殘余應(yīng)力分布以及分析。,內(nèi) 容,建立模擬

13、和分析陶瓷材料磨削加工的DEM模型研究預(yù)應(yīng)力磨削條件下的陶瓷材料加工中裂紋的擴(kuò)展、殘余應(yīng)力的分布及控制工藝參數(shù)預(yù)應(yīng)力磨削中材料力學(xué)性能與工藝參數(shù)的匹配及對應(yīng)的損傷評價(jià)體系,目 標(biāo),目錄,一、課題的背景概述及研究意義二、前人的研究成果三、本課題研究的內(nèi)容和目標(biāo)四、已有實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)方案五、進(jìn)展情況、存在的問題及擬解決方法六、課題研究的進(jìn)度安排,智能納米級拋光機(jī)――－試樣制備 光學(xué)顯微鏡―――表面觀測 微觀多功能摩擦學(xué)測

14、試儀―――壓痕、劃痕實(shí)驗(yàn) 掃描電鏡―――形貌觀測，裂紋觀測 Dell服務(wù)器―――離散元模擬,實(shí) 驗(yàn) 條 件,在CETR測試儀上進(jìn)行有/無預(yù)應(yīng)力狀態(tài)的壓痕、劃痕實(shí)驗(yàn)，并對材料表面的損傷進(jìn)行觀測與分析（對比）；在CETR測試儀上進(jìn)行不同預(yù)應(yīng)力條件下的壓痕、劃痕實(shí)驗(yàn)，并觀察材料的損傷對比）；在磨床上進(jìn)行不同預(yù)應(yīng)力條件下的磨削實(shí)驗(yàn)，并觀察材料的損傷以及殘余應(yīng)力的分布；,,實(shí) 驗(yàn) 方 案,目錄,一、課題的背景概述及研究意義二、前人的

15、研究成果三、本課題研究的內(nèi)容和目標(biāo)四、已有實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)方案五、進(jìn)展情況、存在的問題及擬解決方法六、課題研究的進(jìn)度安排,閱讀了一定數(shù)量的相關(guān)文獻(xiàn)，較清楚地認(rèn)識了離散元方法和陶瓷斷裂力學(xué)對研究陶瓷加工的數(shù)值模擬軟件作了一定運(yùn)用建立和校準(zhǔn)了碳化硅陶瓷材料的離散元模型大致確定了本課題的實(shí)驗(yàn)方案和預(yù)應(yīng)力施加方法及實(shí)驗(yàn)裝置,,進(jìn) 展 情 況,碳化硅DEM模擬的殘余應(yīng)力統(tǒng)計(jì),刀具前角對殘余應(yīng)力的影響,切削速度對殘余應(yīng)力的影響,切削深度

16、對殘余應(yīng)力的影響,不同切削深度下的殘余應(yīng)力云圖,v＝10m/s、ap＝5μm,v＝10m/s、ap＝15 μm,v＝10m/s、ap＝25 μm,不同切削速度下的殘余應(yīng)力云圖,v＝5m/s、ap＝15μm,v＝10m/s、ap＝15 μm,v＝15m/s、ap＝15 μm,,,a,a,,,,,,b,,b,SEM照片與Cluster模型,1.構(gòu)成cluster的ball的個(gè)數(shù)無需指定，只需指定其最大個(gè)數(shù),優(yōu)化后clutser的特點(diǎn)：,

17、2.構(gòu)成后cluster的形狀不確定，可以任意,3.更加真實(shí)的反應(yīng)了陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)形狀,磨削實(shí)驗(yàn)夾具設(shè)計(jì),,,,,,試件,傳感器,傳感器,加載機(jī)構(gòu),加載機(jī)構(gòu),可實(shí)時(shí)顯示預(yù)應(yīng)力大小，x、y方向同時(shí)加壓,存在的問題及擬解決方法,,,如何建立預(yù)應(yīng)力下單個(gè)磨粒作用的數(shù)學(xué)模型以及KIC的推導(dǎo),？？？,磨削過程DEM模擬,,？？？,磨粒以何種方式進(jìn)入磨削狀態(tài)？,1.垂直壓入一定深度以后平行與工件表面磨削；,2.逐漸壓入一定深度以后平行與工件表

18、面磨削；,3.去除起始端顆粒，然后平行與工件表面磨削；,,目錄,一、課題的背景概述及研究意義二、前人的研究成果三、本課題研究的內(nèi)容和目標(biāo)四、已有實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)方案五、進(jìn)展情況、存在的問題及擬解決方法六、課題研究的進(jìn)度安排,2009.4～2008.5 采用Cluster技術(shù)完善陶瓷材料的離散元模型 2009.6～2008.10 不同預(yù)應(yīng)力條件下的陶瓷材料切削、磨削實(shí)驗(yàn)的離散元模擬2009.11～2010.2 預(yù)應(yīng)力條

19、件下陶瓷材料磨削的實(shí)驗(yàn)研究（包括裂紋觀察以及殘余應(yīng)力測量）2010.3～2010.4 撰寫畢業(yè)論文,參考文獻(xiàn),1. B.R. Lawn, A.A. Evans, I.B. Marshall.Elastic/plastic indentation damage in ceramics: the median/radial crack system, Journal of the American Ceramic Society ，19

20、80. 2. Itasca Consulting Group Inc, PFC2D/3D User’s Manuals，2004.3. D.O. Potyondy, P.A. Cundall.A bonded-particle model for rock, International Journal of Rock Mechanics &Mining Science，2004.4. D.O. Potyondy.Sim

21、ulating stress corrosion with a bonded-particle model for rock, International Journal of Rock Mechanics & Mining Science ，2007.,5. Yuanqiang Tan, Dongmin Yang, Y. Sheng.Study of polycrystalline Al2O3 machining cracks

22、 using discrete element method.Machine tools & Manufacture，2008.2.6.N.Cho,C.D.Martin,D.C.Sego.A Clumped particle model for rock.International Journal of rock mechanics and mining sciences，2007.4.7. H. Huang，B. Damj

23、anac，E. Detournay.Numerical modeling of normal wedge indentation in rocks with lateral confinement，Int. J. Rock Mech. & Min. Sci, 1997.8.Huang H.Discrete Element Modeling of tool-Rock Interaction.Minnesota:Universit

24、y of Minnesota,1999.,9.Zhang W,subhash G.Finite element analysis of interactive Vickers indentation on brittle materials. Acta Material,2001.10.龔江宏.陶瓷材料斷裂力學(xué).清華大學(xué)出版社，2001.11.郝建華.硬脆材料變壓應(yīng)力切削. 新技術(shù)新工藝，1991.12.趙奕，周明，董申，李旦.脆

25、性材料塑性域超精密加工的研究現(xiàn)狀.高技術(shù)通訊，1999.4.13.張勤河，張建華，賈志新，艾興.工程陶瓷材料的加工方法.機(jī)械工程師，1997.4.,14.鄧朝暉，張璧，孫宗禹，周志雄.陶瓷磨削的材料去除機(jī)理. 金剛石與磨料磨具工程，2002.2.15.魏群.散體單元法的基本原理數(shù)值方法及程序.科學(xué)出版社，1991.16.楊冬民.陶瓷材料加工裂紋的離散元模擬及實(shí)驗(yàn)研究.湘潭大學(xué)，2007.5.17.蘇盛彪，預(yù)應(yīng)力陶瓷與層狀陶瓷復(fù)合