单颗金刚石磨粒切削氮化硅的多尺度仿真与实验研究
发布时间：2021-02-16 02:35
因氮化硅工程陶瓷具有高强度、高硬度、抗磨损、耐高温、耐化学腐蚀、热膨胀系数小和抗氧化,与金属材料相比的低密度和增韧改性等优良机械性能,广泛应用于机械、化工、电子、能源、冶金、国防军工以及航空航天等重要领域。本文以氮化硅陶瓷精密磨削加工为研究对象,采用分子动力学与有限元进行单颗金刚石磨粒切削氮化硅陶瓷的微观到宏观的多种尺度仿真,并通过实验对仿真结果进行验证。从仿真与实验多角度分析氮化硅陶瓷的材料去除机理,延性域磨削机理和延脆转变机理,为实现氮化硅陶瓷的高效低损伤延性域磨削提供理论依据。具体研究工作内容包括:（1）建立纳米球体金刚石磨粒分子模型和氮化硅超级晶胞模型,利用LAMMPS软件依据分子动力学理论建立单颗金刚石切削氮化硅陶瓷纳米级模型,从不同的切削速度、切削深度考虑,实现材料的纳米级去除过程的动态仿真。从氮化硅原子状态、切削应力和动势能变化的角度研究材料纳米切削过程,分析切削速度和切削深度对氮化硅表面延性变形的影响,并解释氮化硅陶瓷的纳米级延性域加工机理。（2）基于Johnson-Holmquist脆性材料本构模型,选用截角八面体模拟金刚石磨粒,采用有限元方法进行单颗磨粒切削氮化硅陶...
【文章来源】：湖南科技大学湖南省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外相关研究现状
1.2.1 单颗磨粒切削仿真技术
1.2.2 单颗磨粒切削实验技术
1.2.3 硬脆材料的材料去除机理
1.2.4 硬脆材料的延性域磨削机理
1.3 课题来源
1.4 研究内容
第2章 氮化硅陶瓷延性域加工的分子动力学仿真
2.1 氮化硅纳米级切削的分子动力学理论与建模
2.1.1 分子动力学理论基础
2.1.2 工件—刀具模型建立
2.2 仿真方案设计
2.3 纳米切削氮化硅材料去除机理研究
2.3.1 纳米切削材料去除过程及应力分析
2.3.2 不同切削速度的动能、势能变化分析
2.3.3 不同切削深度的动能、势能变化分析
2.4 纳米级切削氮化硅陶瓷的延性域加工机理分析
2.4.1 延性加工性能的数值化量度
2.4.2 不同加工参数下氮化硅延性加工规律
2.5 本章小结
第3章 单颗磨粒切削氮化硅陶瓷有限元仿真
3.1 单颗磨粒切削工件的几何运动分析
3.1.1 单颗磨粒与工件接触的物理描述
3.1.2 单颗磨粒切削工件的运动学分析
3.1.3 压痕力学中的临界切削深度
3.2 磨粒与工件材料本构模型
3.2.1 磨粒模型
3.2.2 工件材料本构模型
3.3 加工仿真模型与参数加载
3.4 仿真结果与分析
3.4.1 材料去除过程分析
3.4.2 延脆转变过程分析
3.4.3 切削速度对延脆转变临界切削深度的影响
3.6 本章小结
第4章 单颗磨粒切削氮化硅陶瓷实验
4.1 实验方案
4.1.1 实验平台
4.1.2 实验设计
4.2 实验结果与分析
4.2.1 工件表面形貌分析
4.2.2 切削速度对材料临界切削深度的影响
4.2.3 延脆转变过程分析
4.3 延性域临界磨削深度模型研究
4.3.1 氮化硅陶瓷的増韧效应分析
4.3.2 延性域动态临界磨削深度模型构建
4.4 延性域动态临界磨削深度模型试验验证
4.4.1 试验加工平台与方案
4.4.2 结果分析与验证
4.5 本章小结
第5章 总结与展望
5.1 论文总结
5.2 论文展望
参考文献
附录A 攻读学位期间发表论文目录
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]可加工微晶玻璃陶瓷磨削表面成形机制[J]. 马廉洁,巩亚东,顾立晨,王华,田俊超,李亮. 机械工程学报. 2017(15)
[2]微晶玻璃超精密磨削的表面/亚表面损伤及其材料去除机理研究[J]. 高尚,朱祥龙,康仁科,郭东明,王紫光,张璧. 机械工程学报. 2017(07)
[3]氮化硅陶瓷的单颗金刚石磨粒磨削试验研究[J]. 刘伟,邓朝晖,商圆圆,万林林. 兵器材料科学与工程. 2016(06)
[4]基于数理统计模型CBN砂轮磨削力的仿真与试验[J]. 刘晓初,陈凡,代东波,谈世松,冯明松,龚伟威. 工具技术. 2016(04)
[5]单颗磨粒磨削过程的有限元分析[J]. 王懋林,梁国星. 中国农机化学报. 2016(03)
[6]合金钢20CrMo的单颗磨粒高速磨削仿真研究[J]. 余剑武,刘智康,吴耀,肖清,舒新. 制造技术与机床. 2015(12)
[7]单颗金刚石磨粒切削氮化硅陶瓷仿真与试验研究[J]. 刘伟,邓朝晖,万林林,赵小雨,皮舟. 机械工程学报. 2015(21)
[8]基于单颗磨粒切削的钛合金磨削过程仿真研究[J]. 霍文国,丁元法,蔡兰蓉,张翔宇,董庆运. 金刚石与磨料磨具工程. 2015(03)
[9]磨削过程建模与仿真研究现状[J]. 傅玉灿,田霖,徐九华,杨路,赵家延. 机械工程学报. 2015(07)
[10]单颗粒金刚石平面磨削C/SiC复合材料的有限元仿真[J]. 李巾锭,任成祖,吕哲,张立峰. 材料科学与工程学报. 2014(05)
博士论文
[1]碳化硅磨削微观损伤机理及其高性能磨削技术研究[D]. 吴重军.东华大学 2017
[2]BK7光学玻璃超声振动磨削脆塑性转变及加工质量研究[D]. 赵培轶.哈尔滨工业大学 2017
[3]基于单颗磨粒切削的氮化硅陶瓷精密磨削仿真与实验研究[D]. 刘伟.湖南大学 2014
[4]基于单颗磨粒切削的淬硬模具钢磨削机理研究[D]. 言兰.湖南大学 2010
[5]基于半固着磨具的蓝宝石延性域加工基础研究[D]. 张克华.浙江工业大学 2009
[6]硅片延性域磨削机理研究[D]. 霍凤伟.大连理工大学 2006
[7]分子动力学模拟的若干基础应用和理论[D]. 殷开梁.浙江大学 2006
硕士论文
[1]基于分子动力学的Al2Cu单轴拉伸模拟与力学性能分析[D]. 方洲.南昌航空大学 2017
[2]氮化硅陶瓷精密磨削仿真与实验研究[D]. 刘志坚.湖南科技大学 2017
[3]单晶锗微纳米切削脆塑转变机理研究[D]. 赵彪.昆明理工大学 2017
[4]单晶铜微纳米切削机理分子动力学及实验研究[D]. 李勇.昆明理工大学 2016
[5]金刚石砂轮三维形貌建模及磨削工程陶瓷的数值仿真与实验研究[D]. 赵小雨.湖南科技大学 2015
[6]基于分子动力学的氮化硅纳米级切削仿真[D]. 高海燕.沈阳建筑大学 2013
[7]陶瓷材料纳米切削与烧结过程的分子动力学仿真[D]. 刘国智.沈阳建筑大学 2012
[8]工程陶瓷磨削表面/亚表面损伤的模型建立和实验研究[D]. 刘超.天津大学 2007
[9]Hopkinson杆动态断裂韧度测试技术研究[D]. 吕俊波.哈尔滨工程大学 2005
本文编号：3035992
【文章来源】：湖南科技大学湖南省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外相关研究现状
1.2.1 单颗磨粒切削仿真技术
1.2.2 单颗磨粒切削实验技术
1.2.3 硬脆材料的材料去除机理
1.2.4 硬脆材料的延性域磨削机理
1.3 课题来源
1.4 研究内容
第2章 氮化硅陶瓷延性域加工的分子动力学仿真
2.1 氮化硅纳米级切削的分子动力学理论与建模
2.1.1 分子动力学理论基础
2.1.2 工件—刀具模型建立
2.2 仿真方案设计
2.3 纳米切削氮化硅材料去除机理研究
2.3.1 纳米切削材料去除过程及应力分析
2.3.2 不同切削速度的动能、势能变化分析
2.3.3 不同切削深度的动能、势能变化分析
2.4 纳米级切削氮化硅陶瓷的延性域加工机理分析
2.4.1 延性加工性能的数值化量度
2.4.2 不同加工参数下氮化硅延性加工规律
2.5 本章小结
第3章 单颗磨粒切削氮化硅陶瓷有限元仿真
3.1 单颗磨粒切削工件的几何运动分析
3.1.1 单颗磨粒与工件接触的物理描述
3.1.2 单颗磨粒切削工件的运动学分析
3.1.3 压痕力学中的临界切削深度
3.2 磨粒与工件材料本构模型
3.2.1 磨粒模型
3.2.2 工件材料本构模型
3.3 加工仿真模型与参数加载
3.4 仿真结果与分析
3.4.1 材料去除过程分析
3.4.2 延脆转变过程分析
3.4.3 切削速度对延脆转变临界切削深度的影响
3.6 本章小结
第4章 单颗磨粒切削氮化硅陶瓷实验
4.1 实验方案
4.1.1 实验平台
4.1.2 实验设计
4.2 实验结果与分析
4.2.1 工件表面形貌分析
4.2.2 切削速度对材料临界切削深度的影响
4.2.3 延脆转变过程分析
4.3 延性域临界磨削深度模型研究
4.3.1 氮化硅陶瓷的増韧效应分析
4.3.2 延性域动态临界磨削深度模型构建
4.4 延性域动态临界磨削深度模型试验验证
4.4.1 试验加工平台与方案
4.4.2 结果分析与验证
4.5 本章小结
第5章 总结与展望
5.1 论文总结
5.2 论文展望
参考文献
附录A 攻读学位期间发表论文目录
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]可加工微晶玻璃陶瓷磨削表面成形机制[J]. 马廉洁,巩亚东,顾立晨,王华,田俊超,李亮. 机械工程学报. 2017(15)
[2]微晶玻璃超精密磨削的表面/亚表面损伤及其材料去除机理研究[J]. 高尚,朱祥龙,康仁科,郭东明,王紫光,张璧. 机械工程学报. 2017(07)
[3]氮化硅陶瓷的单颗金刚石磨粒磨削试验研究[J]. 刘伟,邓朝晖,商圆圆,万林林. 兵器材料科学与工程. 2016(06)
[4]基于数理统计模型CBN砂轮磨削力的仿真与试验[J]. 刘晓初,陈凡,代东波,谈世松,冯明松,龚伟威. 工具技术. 2016(04)
[5]单颗磨粒磨削过程的有限元分析[J]. 王懋林,梁国星. 中国农机化学报. 2016(03)
[6]合金钢20CrMo的单颗磨粒高速磨削仿真研究[J]. 余剑武,刘智康,吴耀,肖清,舒新. 制造技术与机床. 2015(12)
[7]单颗金刚石磨粒切削氮化硅陶瓷仿真与试验研究[J]. 刘伟,邓朝晖,万林林,赵小雨,皮舟. 机械工程学报. 2015(21)
[8]基于单颗磨粒切削的钛合金磨削过程仿真研究[J]. 霍文国,丁元法,蔡兰蓉,张翔宇,董庆运. 金刚石与磨料磨具工程. 2015(03)
[9]磨削过程建模与仿真研究现状[J]. 傅玉灿,田霖,徐九华,杨路,赵家延. 机械工程学报. 2015(07)
[10]单颗粒金刚石平面磨削C/SiC复合材料的有限元仿真[J]. 李巾锭,任成祖,吕哲,张立峰. 材料科学与工程学报. 2014(05)
博士论文
[1]碳化硅磨削微观损伤机理及其高性能磨削技术研究[D]. 吴重军.东华大学 2017
[2]BK7光学玻璃超声振动磨削脆塑性转变及加工质量研究[D]. 赵培轶.哈尔滨工业大学 2017
[3]基于单颗磨粒切削的氮化硅陶瓷精密磨削仿真与实验研究[D]. 刘伟.湖南大学 2014
[4]基于单颗磨粒切削的淬硬模具钢磨削机理研究[D]. 言兰.湖南大学 2010
[5]基于半固着磨具的蓝宝石延性域加工基础研究[D]. 张克华.浙江工业大学 2009
[6]硅片延性域磨削机理研究[D]. 霍凤伟.大连理工大学 2006
[7]分子动力学模拟的若干基础应用和理论[D]. 殷开梁.浙江大学 2006
硕士论文
[1]基于分子动力学的Al2Cu单轴拉伸模拟与力学性能分析[D]. 方洲.南昌航空大学 2017
[2]氮化硅陶瓷精密磨削仿真与实验研究[D]. 刘志坚.湖南科技大学 2017
[3]单晶锗微纳米切削脆塑转变机理研究[D]. 赵彪.昆明理工大学 2017
[4]单晶铜微纳米切削机理分子动力学及实验研究[D]. 李勇.昆明理工大学 2016
[5]金刚石砂轮三维形貌建模及磨削工程陶瓷的数值仿真与实验研究[D]. 赵小雨.湖南科技大学 2015
[6]基于分子动力学的氮化硅纳米级切削仿真[D]. 高海燕.沈阳建筑大学 2013
[7]陶瓷材料纳米切削与烧结过程的分子动力学仿真[D]. 刘国智.沈阳建筑大学 2012
[8]工程陶瓷磨削表面/亚表面损伤的模型建立和实验研究[D]. 刘超.天津大学 2007
[9]Hopkinson杆动态断裂韧度测试技术研究[D]. 吕俊波.哈尔滨工程大学 2005
本文编号：3035992
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