微纳米切削过程广义质点动力学多尺度分析方法研究

Multiscale analysis, which has the ability to realize atomic scale analysis of core region in micro/nano cutting process and break the limitation of single scale analysis, plays a crucial role in doing further research into micro-mechanism of micro/nano cutting process and its unique new phenomenon and new regularity. But there is a greatest challenge of incoordination in transregional cooperation of multiscale coupling regions in micro/nano cutting process analysis with current multiscale analysis method. This research project is chiefly concerned with micro/nano cutting process, from which explore the theory and method of generalized particle dynamics multiscale analysis, and research partition method of various scale regions and representation of generalized particle in the regions as the core region is described by atoms and other regions by generalized particle, meanwhile, study processing and algorithm of different cross-scale coupling regions to ensure coordination of various scale coupling, thus establish a generalized particle dynamics multiscale model in micro/nano cutting process. By determining the solving method of the model and then solving the physical parameters, boundary condition and initial condition that are involved, also, by solution result analysis and confirmatory test, the micro dynamic changing process of micro/nano cutting and micro-mechanism will be revealed. Through the researches mentioned above, we can provide a new multiscale analysis theory and method that will enrich and develop the micro/nano cutting theory and continue to promote development and perfection of micro/nano cutting theory and multiscale method, and finally supply the scientific guide and theoretical reference for ultra precision cutting and microcutting process.

多尺度分析能够实现微纳米切削过程中核心区域的原子级分析，突破单一尺度分析的局限,对深入研究微纳米切削的微观机理及其特有的新规律、新现象起关键作用。但采用现有的多尺度方法来进行微纳米切削过程的分析存在跨尺度耦合区不协调的难题。本项目以微纳米切削过程为研究对象，研究广义质点动力学多尺度分析的理论与方法，核心区域用原子描述，其它区域用广义质点描述，研究各级尺度区域的划分方法和各区域广义质点的表征，研究跨不同尺度区的耦合区的处理和算法，保证各级尺度耦合的协调性，建立微纳米切削过程广义质点动力学多尺度分析模型，确定模型求解方法和求解所涉及的物理参数、边界条件和初始条件，进行求解结果的分析和试验验证，揭示微纳米切削的微观动态变化过程和微观切削机理。通过研究，为微纳米切削提供一种新的多尺度分析理论和方法，丰富和发展微纳米切削加工理论体系，为超精密切削加工、微细切削加工提供理论依据和科学指导。

微纳米切削过程多尺度分析通过与原子尺度的分析相结合，既能从原子结构角度分析微纳米切削过程中切削力、切削层的变形、切屑和加工表面形成的微观机制，又能突破单一尺度分析的局限,对深入研究微纳米切削机理具有重要意义。由于采用现有的多尺度方法来进行微纳米切削过程的分析存在跨尺度耦合区不协调的难题。本项目以微纳米切削过程为研究对象，研究了广义质点动力学多尺度分析的理论与方法，核心关键区域采用全原子分析，其它区域采用广义大质点颗粒，研究了各级尺度区域的划分理论与方法以及不同尺度区交界区的处理方法，找到了一种保证各级尺度耦合协调性的解决方法，建立了微纳米切削过程广义大质点动力学多尺度分析模型，采用广义质点动力学多尺度方法分别对单晶铜和单晶锗进行了微纳米切削过程建模，分析了切削过程中的切削力、切屑形貌等切削特性。并与分子动力学模型对比，验证了这种多尺度方法的有效性。分子动力学分析方法是微纳米切削过程广义质点动力学多尺度分析模型的基础。项目还研究了微纳米切削过程原子尺度分析方法，开展了微纳米切削过程分子动力学分析方法研究，建立了单晶铝、单晶铜微纳米切削过程的分子动力学分析模型并求解，从原子结构角度揭示了微纳米切削过程中切削力、切削层的变形、切屑形成的规律和微观机理。 .项目采用纳米压痕仪、原子力显微镜为实验仪器，开展了单晶铜、单晶铝、单晶锗微纳米切削特性实验研究。以不同的刀具条件和不同切削工艺参数进行了切削实验。获得了相关实验数据，并结合分子动力学、广义质点动力学多尺度分析方法以及纳米划痕试验，揭示了微纳米切削的微观机理。.微纳米切削的实验方法和设备是目前急需解决并具有挑战性的问题。项目还研究了与微纳切削实验装置相关的超精密定平台的理论与技术、显微机器视检测的理论与技术，初步成功研制了以三维纳米级精密定位平移台、二维微小力传感器、显微机器视觉为主要组成的微纳米切削实验装置。.通过研究，丰富和发展了微纳米切削加工理论体系，为超精密切削加工、微纳米切削加工提供理论依据和科学指导。