KDP晶体微观力学行为及加工性能研究

发布时间：2017-04-15 07:16

  本文关键词：KDP晶体微观力学行为及加工性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：KDP(磷酸二氢钾)晶体是一种性能优异的非线性光学材料,广泛应用于能源、国防、航空航天、基础核物理研究等国家核心战略领域。然而,KDP晶体因为具有软脆、易潮解、对温度变化敏感、易开裂等特征,已成为典型的难加工材料。深入探索超精密加工中材料微观力学行为及损伤产生机制是KDP晶体高效低损伤加工得以实现的必要理论保障。为了从原理上根除有限元方法在局部大变形问题求解中存在的网格畸变弊端,引进了光滑粒子流体动力学(SPH)无网格仿真算法,以纳米压划痕为切入点,针对超精密加工中材料的挤压、划擦等微观弹塑性力学行为进行了研究,并通过开展相关测试实验证明了仿真结果的正确性,具体研究内容如下：首先,基于弹塑性理论建立了KDP晶体(001)晶面材料本构模型,在该功能晶面上开展了基于SPH方法的多种压头纳米压痕仿真,结果表明：8mN最大加载时等效应力呈放射状圆弧分布,各压头与KDP晶体接触位置存在不同程度应力集中。卸载结束时,等效应力主要分布在压痕棱边处,且残留深度为1.3～1.5μm,而等效塑性应变相比于最大加载时刻未发生明显变化。当载荷在0～8mN范围内时,其与等效应力影响深度呈近似线性递增关系。相同载荷下,各压头对应的塑性损伤深度关系与等效应力影响深度关系一致。此外,通过纳米压痕测试获得了(001)晶面的塑性性能表征及材料屈服极限,同时使仿真合理性得到了证明。其次,依托"ABAQUS-EXPLICIT"动力学模块完成了KDP晶体三倍频晶面各向异性力学模型的构建,开展了纳米压痕SPH数值模拟,经OriginPro8计算得到实验与仿真载荷-压入深度曲线的相关系数为0.996328,吻合度较高,验证了力学模型的正确性,得出三倍频晶面的屈服强度为240MPa。由于材料的各向异性,工件内部应力呈不规则圆弧状分布。载荷大小与等效应力影响深度呈近似线性递增关系。材料表层塑性损伤存在“复映效应”。当载荷小于2mN时,各压头的残余应力深度差异0.2μm；随着载荷逐渐增大,这种差异不断扩大。最后,以基于SPH方法的纳米划痕仿真为媒介,针对超精密加工中KDP晶体(001)晶面材料微观摩擦学及力学响应特性进行了探索,同时通过纳米划痕实验证实了模型的可靠性,研究结果表明：纳米尺度刻划中(001)晶面材料以弹塑性变形为主,并未发生脆性断裂。摩擦系数与法向载荷呈正相关关系,具有各向异性特征。随着刻划深度的增大,等效应力对材料的扰动更加剧烈,该现象表明加工时采用小切深对于获得高质量KDP晶片是必要的。此外,工件材料塑性损伤主要分布于划沟底部及两侧。
【关键词】：KDP晶体 SPH 力学行为 摩擦学特性 数值仿真
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ131.13
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-24
• 1.1 研究背景及意义10-13
• 1.2 KDP晶体材料特性13-14
• 1.3 KDP晶体超精密加工研究现状14-20
• 1.3.1 单点金刚石切削14-16
• 1.3.2 磁流变抛光16-18
• 1.3.3 超精密磨削18-19
• 1.3.4 无磨料水溶解抛光19-20
• 1.4 KDP晶体微观力学行为研究现状20-22
• 1.4.1 测试实验研究现状20-21
• 1.4.2 数值仿真研究现状21-22
• 1.5 课题来源及主要研究内容22-24
• 2 SPH无网格仿真原理与应用24-33
• 2.1 SPH方法理论背景24-25
• 2.2 SPH方法算法概述25-26
• 2.3 SPH方法核心问题26-32
• 2.3.1 积分表示26-30
• 2.3.2 粒子近似30-31
• 2.3.3 邻域搜索31-32
• 2.3.4 光滑长度32
• 2.4 本章小结32-33
• 3 KDP晶体(001)晶面微观力学行为及加工性能33-50
• 3.1 LS-DYNA软件概述33-34
• 3.2 (001)晶面纳米压痕SPH建模34-39
• 3.2.1 几何建模34-36
• 3.2.2 材料建模36-37
• 3.2.3 接触算法37-38
• 3.2.4 边界条件38-39
• 3.3 实验验证及塑性拟合39-41
• 3.3.1 样件制备39
• 3.3.2 压痕测试39-40
• 3.3.3 塑性拟合40-41
• 3.4 仿真结果分析41-49
• 3.4.1 应力变化趋势分析41-43
• 3.4.2 塑性损伤及其对加工影响分析43-45
• 3.4.3 压头类型对应力影响机制分析45-47
• 3.4.4 压头类型与残余应力分布深度关系分析47-48
• 3.4.5 压头类型与塑性损伤分布关系分析48-49
• 3.5 本章小结49-50
• 4 KDP晶体三倍频晶面微观力学行为及加工性能50-64
• 4.1 ABAQUS软件概述50-51
• 4.2 三倍频晶面纳米压痕SPH建模51-56
• 4.2.1 建立几何模型51-54
• 4.2.2 构造材料模型54-56
• 4.2.3 设定边界约束56
• 4.3 压痕测试及塑性拟合56-59
• 4.3.1 晶体样件制备56-57
• 4.3.2 压痕测试实验57
• 4.3.3 塑性参数拟合57-59
• 4.4 仿真结果分析59-63
• 4.4.1 压头类型与应力分布关系分析59-60
• 4.4.2 载荷与应力影响深度关系分析60-61
• 4.4.3 塑性损伤的“复映效应”分析61-62
• 4.4.4 残余应力分布深度分析62-63
• 4.5 本章小结63-64
• 5 KDP晶体微观摩擦学特性及力学响应64-77
• 5.1 纳米划痕建模64-68
• 5.1.1 几何建模64-65
• 5.1.2 材料建模65-66
• 5.1.3 边界条件66-68
• 5.2 纳米划痕测试实验68-69
• 5.2.1 晶体样件制备68-69
• 5.2.2 纳米划痕测试69
• 5.3 结果分析与讨论69-76
• 5.3.1 动态摩擦行为及模型可靠性分析69-71
• 5.3.2 摩擦系数的各向异性分析71-72
• 5.3.3 摩擦系数随法向载荷变化72-73
• 5.3.4 力学响应特征随划入深度变化73-74
• 5.3.5 塑性损伤行为随划入深度变化74-76
• 5.4 本章小结76-77
• 结论77-79
• 参考文献79-88
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况88-89
• 致谢89-90

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