基于准连续介质法的工程陶瓷精密磨削材料去除机理的多尺度数值模拟与实验研究

For the process prediction and control of engineering ceramics precision grinding, it is necessary to study the material removal mechanism in-depth. Currently, the research is mainly based on indentation fracture mechanics theory, finite element simulation or molecular dynamics simulation of single grain cutting, which cannot fully reveal the material removal mechanism..Therefore, the multi-scale numerical simulation method of material removal mechanism on engineering ceramics precision grinding is proposed for the study in this project. The shape of diamond grain is defined, and its geometric model is built. Based on quasicontinuum method, the local contact region between grain and workpiece is defined as atomic region using molecular dynamics simulation, the non-cutting area as continuum region using finite element simulation, and the transition region is calculated using weighted method and corrected; then the multi-scale simulation model of single / multi-grains cutting on engineering ceramics is established. Exploring surface topography detection, characterization and modeling for diamond grinding wheel, the simulation model of engineering ceramics precision grinding is built using finite element method with local refinement. With single / multi- grains cutting experiments and engineering ceramics precision grinding experiments, the numerical simulation method is verified correct. Integrating numerical simulation and experimental results, the material removal mechanism on engineering ceramics precision grinding is revealed from macro to micro, which could provide theoretical and technical guidance for engineering ceramics precision grinding with efficient and low damage.

为实现工程陶瓷精密磨削加工过程的预测与控制，需要深入研究其材料去除机理，当前研究主要基于压痕断裂力学理论或有限元仿真或单颗磨粒切削分子动力学仿真，不能全面揭示其材料去除机理。.因此，本项目提出以工程陶瓷精密磨削材料去除机理的多尺度数值模拟方法为研究对象，研究金刚石磨粒形状定义并建立几何模型；基于准连续介质法，定义磨粒与工件局部接触区域为分子动力学仿真的原子区域，非切削区域为有限元仿真的连续介质区域，对其过渡区域采用加权法计算并修正，建立单/多颗金刚石磨粒切削工程陶瓷的多尺度仿真模型；探讨金刚石砂轮表面形貌的检测、表征与建模，采用局部细化的有限元仿真建立工程陶瓷精密磨削仿真模型；开展单/多颗磨粒切削实验和工程陶瓷精密磨削实验验证数值模拟方法的正确性；综合数值模拟与实验结果从宏观到微观多尺度揭示工程陶瓷精密磨削材料去除机理，为工程陶瓷的高效低损伤精密磨削加工提供切实可行的理论技术指导。

工程陶瓷以其优良物理和力学性能，在机械、化工、国防和航空航天等重要工业领域得到广泛应用。目前工程陶瓷精密加工主要通过超硬精细磨料的精密磨削来实现。为了深化和推广工程陶瓷的应用，实现工程陶瓷精密磨削加工过程的预测与控制，需要深入研究其材料去除机理。当前研究主要基于压痕断裂力学理论或有限元仿真或单颗磨粒切削分子动力学仿真，不能全面揭示其材料去除机理。. 针对以上问题，项目组综合运用多学科理论，通过理论分析、数值模拟和实验相结合的手段，采用不同尺寸的八面体与六面体混合交叉定义了9种不同类型几何体磨粒及其比例关系，提出磨粒出刃度和磨粒出刃面积分散度两个新参数来评价砂轮表面形貌特征，考虑磨粒位置、尺寸、角度、出刃高度分布及提出的两个新评价参数建立了砂轮表面形貌模型；通过实验确定了氧化锆、氮化硅两种工程陶瓷的基本力学参数以及JH-2本构模型中强度模型、损伤模型、状态方程的常量参数，建立了工程陶瓷精密磨削的分子动力学模型；进行了单颗磨粒切削工程陶瓷的分子动力学仿真与有限元仿真，采用局部细化的有限元仿真方法建立了工程陶瓷精密磨削仿真；进行单/多颗磨粒切削工程陶瓷实验，以及工程陶瓷精密磨削加工实验，综合分析了工程陶瓷磨削材料去除机理。. 在国内外重点期刊上正式发表论文9篇，其中SCI二区1篇、EI收录2篇，CSCD核心4篇；申请国家发明专利1项；培养硕士研究生5人，其中已毕业2人。项目所取得的成果为工程陶瓷的高效低损伤精密磨削加工提供了切实可行的理论技术指导，目前正在开展相关成果的转化和应用。