基于分子动力学磨粒流加工数值模拟研究方法

技术领域

本发明涉及一种基于分子动力学磨粒流加工数值模拟研究方法，属于机械加工技术领域。

背景技术

随着科技的发展，机械加工正向微小、超精密的加工技术领域迈进。许多高端产品中的摩擦副间隙变得越来越小，开始进入纳米量级，微观摩擦学成为机械工程应用上的又一重要理论。

磨粒流加工可以实现对特殊通道内壁的光整加工，提高工件表面的光洁度，因此磨粒流加工能够解决其他传统加工方法对复杂形状零件无法实现的精密加工，使其在精密加工领域起着重要作用。磨粒流加工技术被广泛应用于航天科技、模具、汽车、医疗器械、光学平台等领域零部件的精密加工。在磨粒流加工过程中，磨料与被加工零件的表面产生应力接触，并且发生相对的运动，这就产生磨粒磨削工件的效应，从而达到对零件表面的研磨抛光效果，在此过程中磨粒可看作是加工过程中的刀具。利用磨粒流中的磨粒充作无数的切削刀具，以其坚硬锋利的棱角对磨粒流所流经的通道表面进行反复切削，从而实现管道表面的精加工。磨粒对被磨材料表面的切削是磨粒磨损的主要作用机制，通过微观尺寸研究工件表面去除规律，能够更清楚的认识到材料加工过程中微观尺度下发生的变化。在微观尺度下，磨粒磨损发生在工件表面的微观局部，研究工件表面上微观尺寸动态行为与变化是认识磨粒磨损机理的重要途径。 因此，对磨粒微观切削过程中的现象和切削机理的研究是十分必要的。然而，在对磨粒切削过程的研究中，一般利用简单公式计算磨损量或通过实验对工件表面进行观察分析，难以反映出动态变化过程。微观切削发生在微小区域，该区域有工件及刀具的原子分布，切削已转为原子之间的作用力，将可能产生新的物理现象，如微尺度效应。对磨粒流加工的微观尺度研究，已经是纳米摩擦学理论范畴。纳米摩擦学是基于原子、分子尺度上研究摩擦界面的磨损机理，因此微观尺度的力热特性、机械特性有可能发生变化。纳米摩擦学在研究方法、理论基础、测试技术和应用对象等方面与宏观摩擦学不同，这就使宏观概念及理论在微观领域研究中，会有不适用之处，因此需要寻找新的理论及研究方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于分子动力学磨粒流加工数值模拟研究方法，以便更好地用于机械加工处理。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种基于分子动力学磨粒流加工数值模拟研究方法，以单个磨粒作为刀具对加工过程进行数值模拟研究，其具体步骤如下：

（1）进行基于分子动力学的磨粒流加工过程模拟研究，研究相关参数对磨粒流加工中能量变化的影响，编写分子动力学程序建立仿真模型进行分子动力学仿真；

（2）根据分子动力学基本原理，建立磨粒微观切削的分子动力学模型，进行基于分子动力学的磨粒磨削数值模拟，通过数值求解运动方程，得出磨粒原子相对被加工材料原子的位移和速度，获得不同时刻原子的运动轨迹，探究磨粒流加工过程中原子的去除规律、表面势能变化；

（3）从微观角度阐述材料的去除机制，探讨相关参数对加工过程中能量变化的影响，并对加工表面质量分析；

（4）探究在磨粒加工后，磨粒的变化情况，从微观尺度探究磨粒流加工对磨粒晶体结构的影响。

上述步骤（1）中，分子动力学模拟的过程分为以下几步：

（1）对将要仿真的模拟体系建立理论模型；

（2）对体系初始参数进行设定，包括粒子的原子类型，边界条件，原子坐标等；

（3）选定合理的势函数，对原子间的作用力进行描述；

（4）选用计算方法，求解运动方程；

（5）弛豫后完成初始设定的模拟步数，得到粒子轨迹文件；

（6）提取相关物理量，对模拟结果进行分析。

从模拟流程分析，分子动力学模拟是对所建立的模型进行初始参数定义，对粒子进行求解运动方程得到相轨迹的过程，最后统计体系的结构特性与性质。

上述步骤（2）中，基于分子动力学磨粒流加工数值模拟模型操作步骤如下：

（1）建立磨粒磨削模型：分子动力学模拟的首要步骤是构建化学模型，即根据实际材料化学组成来定义它的微观结构，这包括体系所包含的原子种类和原子数目。在分子动力学模拟中需要根据模拟体系的特点和计算设备，确定合适的体系规模。

建立好模型之后，下一步的任务是对所建立体系的原子之间的力场进行描述。在此过程中主要观察工件被磨削加工的变化，因此将刀具设定为刚体。在大多数情况下，需要用不同的力场参数来描述体系内各部分原子的相互作用，以满足分子动力学模拟的需要，得到更符合实际的理论结果。在划分不同的运动模式所对应的能量时，同一来源的力场参数采取的方案相同，各参数之间相互自洽。相反，不同来源的力场参数，在划分不同的运动模式所对应的能量时采取的方案不同，各参数之间不能自洽。因此混用不同来源的力场参数进行分子动力学模拟时，必须保证参数之间的自洽性，即保证使参数设置合理无矛盾，否则，难以得到合理的模拟结果。模型中采用EAM势描述铜原子之间的力，利用Morse势描述工件与磨粒之间的作用力，Tersoff势描述刀具原子间的作用力。

实现模型的建立后，需要对初始化参数进行设定。其参数设定过程归结以下几个方面：

（a）选取数值积分算或差分格式，包括Verlet算法、蛙跳算法等；

（b）数值积分时间步长的选取；

（c）描述分子间相互作用力，势函数的选取，以及截断半径和截断处理方法等；

（d）计算分子间作用力时，选取的简化处理方法，如近邻表算法，格子索引法，以及与此相关的参数；

（e）对模拟体系系综的标定，以及状态变量N、P、T实现时统计系综的算法；

（f）模拟过程参数，包括弛豫以及仿真模拟的步数等。

（g）模拟实验参数的设定，依据实验内容对速度，温度进行标定。

（2）模型的初始化设置：以经典力学理论为基础，对于任何经典力学体系而言，只要确定体系的初始结构和初始速度，就可以计算体系在之后任意时刻的构型与速度。利用统计力学的概念，模拟体系的初始构型和初始速度，对应轨迹在相空间的起始点，而分子动力学模拟是计算由相空间中的起始点出发的一段相轨迹。任何分子动力学模拟只能得到体系相轨迹的一小段，为了保证分子动力学模拟得到的这小段轨迹在相空间中的代表性，令模拟得到的数据可靠，模拟的起始点必须接近平衡状态。相反，如果相轨迹的起始点远离平衡状态，不但会导致模拟得到的相轨迹没有代表性，而且还会影响模拟过程的稳定性，导致模拟不能正常进行。对于确定模拟构型和初始速度的一般要求为：

（a）在单原子分子体系和小分子体系模拟中，只要模拟的温度不太低，一般比较容易达到平衡状态，可以随机地设定体系的初始构型。但是，必须注意分子的形状不能过分偏离平衡构型，分子间也不能互相靠得太近。否则，分子内应力和分子间的排斥力太大，将使运动方程处在不稳定状态，导致分子动力学模拟的失败。如果发生这种失败的情况，可以利用构型优化，在分子动力学模拟之前优化体系的结构，降低体系的势能，确保模拟过程的正常进行。

（b）在晶体体系中，必须确保初始构型处在平衡构型附近，否则无法通过模拟达到平衡构型。

（c）对于合成高分子，生物大分子体系或大分子溶液，要根据大分子和溶剂的结构特征确定初始构型，如果在过程中构型有误则模拟的大分子难以实现平衡构型。

（d）设定初始速度较初始构型方便和自由，一般通过Maxwell速度分布，随机地设定体系中个原子的初始速度。

（3）模拟体系的弛豫：在初始条件设定好之后，不能够完全保证所设定初始条件参数使模拟体系达到平衡状态，这就需要给系统一个弛豫过程，即在不加外力的条件下使系统自身达到稳定的平衡状态。即在分子动力学模拟之前，让系统自算若干步，系统输出能量及温度参数达到稳定状态，即可认为系统趋于平衡状态，而计算这一过程的时间称为弛豫时间。弛豫时间不宜太长也不宜太短，这是因为，时间过短会使系统达不到平衡态；时间过多，会使模拟过程漫长，计算量也会增大，增加计算机的负荷。由此可见弛豫过程在分子动力学模拟中是十分重要的一个环节，一般这一弛豫过程往往通过对所建立模型的恒温层原子进行速度标度的方法来实现。

（4）时间积分步长的确定：分子动力学模拟方法可以研究的时间参数与实验方法有很大的互补性。在经典分子动力学中，系统的时间尺度不由电子运动的速度来支配，而是由原子间的碰撞事件、原子的旋转以及分子内的振动时间来决定。它可以利用计算机模拟的特性来弥补科学实验在处理时间上的不足，然而在分子动力学模拟时间步长的选取也不能无限小。时间步长选取太小，则计算模拟的时间就会增长，增加计算时间，所以还要考虑计算机硬件设施的配置，避免造成运算超量；时间步长过大，则模拟得到的数据可能不完善，不能有效观察，失去其精准性，分子动力学时间步长对于仿真过程和仿真结果都有重要的影响。在分子动力学模拟中对于积分步长处理的通常原则为，模拟的积分步长应该小于系统最快运动周期的十分之一。为减少模拟时间， 步长选取1fs，这样能使计算效率提升，又可以得到有效的分析数据。

（5）分子动力学模拟相关参数的设定：为探究不同加工参数对工件的影响，将对磨粒形状、磨粒速度大小与方向、体系的温度等方面进行对比仿真。磨粒的速度在-x方向设定为50m/s、60m/s、70m/s、80m/s、90m/s。当进行斜切削分子动力学仿真时，在x方向速度基础上，设定-y方向为4m/s的速度，体系的温度分别设定为293K、300K、310K、320K，对工件采用Nose-Hoover调温方法进行温度调节。对于模拟系统在x，y方向上采用柔性边界条件，即允许体系有该方向上的微小变化，Z方向上采用周期性边界条件。由于磨粒磨削仿真模拟的磨粒速度不同，所以模拟总步数为一个范围值。事实上，随着分子动力学模拟的进行，相轨迹文件将迅速增大，甚至会写满整个文件系统，这就造成模拟数据溢出亦或超出模拟体系，造成模拟的失败。因此，必须先预估相轨迹文件的大小，避免数据满溢的现象出现。另一方面，输出的相轨迹文件数据太少，也不利于统计体系的各种性质。所以综合考虑，设定模拟步数范围为为20000至40000步，则模拟时间为20ps至40ps。

该发明的有益效果在于：（1）利用分子动力学方法研究分析磨粒流加工过程中单颗磨粒的微切削过程，实现了磨粒微切削过程中工件牛顿层原子位移的标定。通过分析工件原子位移的变化，探讨磨粒微切削过程中切屑形成机理和原子的堆积现象，对已加工表面的原子迁移现象进行分析可知，由于磨粒对工件的挤压作用以及工件内部原子之间的斥力作用，工件内部的部分原子发生微小位移，同时磨粒下表面对工件表面的摩擦作用，工件表面原子产生随磨粒运动方向一致的位移，实现磨粒流的微切削加工。（2）利用分子模拟可视化软件对工件表面形貌进行分析，观察得出工件表面存在的残余应力以及塑性变形是导致工件表面出现凹凸现象的原因，并发现由于磨粒下表面与工件接触时产生作用力的效果不同，长方体磨粒加工后得到的工件表面质量较差，圆柱体磨粒加工后得到工件表面质量好，这为磨粒流加工技术的研究提供了理论基础。（3）实现了磨粒的分子动力学仿真，指出磨粒在加工过程中，磨粒晶体的键角会发生改变，为后继对磨粒流加工过程中磨粒晶体结构形变的研究奠定了理论基础。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。

实施例

本实施例中的基于分子动力学磨粒流加工数值模拟研究方法，以单个磨粒作为刀具对加工过程进行数值模拟研究，其具体步骤如下：

（1）进行基于分子动力学的磨粒流加工过程模拟研究，研究相关参数对磨粒流加工中能量变化的影响，编写分子动力学程序建立仿真模型进行分子动力学仿真；

（2）根据分子动力学基本原理，建立磨粒微观切削的分子动力学模型，进行基于分子动力学的磨粒磨削数值模拟，通过数值求解运动方程，得出磨粒原子相对被加工材料原子的位移和速度，获得不同时刻原子的运动轨迹，探究磨粒流加工过程中原子的去除规律、表面势能变化；

（3）从微观角度阐述材料的去除机制，探讨相关参数对加工过程中能量变化的影响，并对加工表面质量分析；

（4）探究在磨粒加工后，磨粒的变化情况，从微观尺度探究磨粒流加工对磨粒晶体结构的影响。

上述步骤（1）中，分子动力学模拟的过程分为以下几步：（1）对将要仿真的模拟体系建立理论模型；（2）对体系初始参数进行设定，包括粒子的原子类型，边界条件，原子坐标等；（3）选定合理的势函数，对原子间的作用力进行描述；（4）选用计算方法，求解运动方程；（5）弛豫后完成初始设定的模拟步数，得到粒子轨迹文件；（6）提取相关物理量，对模拟结果进行分析。

上述步骤（2）中，基于分子动力学磨粒流加工数值模拟模型操作步骤如下：

（1）建立磨粒磨削模型：分子动力学模拟的首要步骤是构建化学模型，即根据实际材料化学组成来定义它的微观结构，这包括体系所包含的原子种类和原子数目。在分子动力学模拟中需要根据模拟体系的特点和计算设备，确定合适的体系规模。建立好模型之后，下一步的任务是对所建立体系的原子之间的力场进行描述。模型中采用EAM势描述铜原子之间的力，利用Morse势描述工件与磨粒之间的作用力，Tersoff势描述刀具原子间的作用力。

实现模型的建立后，需要对初始化参数进行设定。其参数设定过程归结以下几个方面：（a）选取数值积分算或差分格式，包括Verlet算法、蛙跳算法等；（b）数值积分时间步长的选取；（c）描述分子间相互作用力，势函数的选取，以及截断半径和截断处理方法等；（d）计算分子间作用力时，选取的简化处理方法，如近邻表算法，格子索引法，以及与此相关的参数；（e）对模拟体系系综的标定，以及状态变量N、P、T实现时统计系综的算法；（f）模拟过程参数，包括弛豫以及仿真模拟的步数等。（g）模拟实验参数的设定，依据实验内容对速度，温度进行标定。

（2）模型的初始化设置：对于确定模拟构型和初始速度的一般要求为：（a）在单原子分子体系和小分子体系模拟中，只要模拟的温度不太低，一般比较容易达到平衡状态，可以随机地设定体系的初始构型。但是，必须注意分子的形状不能过分偏离平衡构型，分子间也不能互相靠得太近。否则，分子内应力和分子间的排斥力太大，将使运动方程处在不稳定状态，导致分子动力学模拟的失败。如果发生这种失败的情况，可以利用构型优化，在分子动力学模拟之前优化体系的结构，降低体系的势能，确保模拟过程的正常进行。（b）在晶体体系中，必须确保初始构型处在平衡构型附近，否则无法通过模拟达到平衡构型。（c）对于合成高分子，生物大分子体系或大分子溶液，要根据大分子和溶剂的结构特征确定初始构型，如果在过程中构型有误则模拟的大分子难以实现平衡构型。（d）设定初始速度较初始构型方便和自由，一般通过Maxwell速度分布，随机地设定体系中个原子的初始速度。

（3）模拟体系的弛豫：在初始条件设定好之后，不能够完全保证所设定初始条件参数使模拟体系达到平衡状态，这就需要给系统一个弛豫过程，即在不加外力的条件下使系统自身达到稳定的平衡状态。即在分子动力学模拟之前，让系统自算若干步，系统输出能量及温度参数达到稳定状态，即可认为系统趋于平衡状态，而计算这一过程的时间称为弛豫时间。弛豫时间不宜太长也不宜太短，这是因为，时间过短会使系统达不到平衡态；时间过多，会使模拟过程漫长，计算量也会增大，增加计算机的负荷。由此可见弛豫过程在分子动力学模拟中是十分重要的一个环节，一般这一弛豫过程往往通过对所建立模型的恒温层原子进行速度标度的方法来实现。

（4）时间积分步长的确定：在本实施例的分子动力学模拟中，为减少模拟时间， 步长选取1fs，这样能使计算效率提升，又可以得到有效的分析数据。

（5）分子动力学模拟相关参数的设定：为探究不同加工参数对工件的影响，将对磨粒形状、磨粒速度大小与方向、体系的温度等方面进行对比仿真。磨粒的速度在-x方向设定为50m/s、60m/s、70m/s、80m/s、90m/s。当进行斜切削分子动力学仿真时，在x方向速度基础上，设定-y方向为4m/s的速度，体系的温度分别设定为293K、300K、310K、320K，对工件采用Nose-Hoover调温方法进行温度调节。综合考虑，设定模拟步数范围为为20000至40000步，则模拟时间为20ps至40ps。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。