基于力、热、流多物理耦合场的固-液两相流磨粒流加工机理数值模拟研究

In the military and civil field, there are special passages existing in many key parts, such as changed caliber and nonlinear tube. The surface quality of such special passages usually decides the using properties of the whole，which has been the urgent problem to be solved in the ultra-precision field. But the current common machining method can't improve the surface quality effectively, the abrasive flow machining technology offers the effective solution to it. The research plans to adopt numerical simulation combining with theoretical analysis and experiment research to do basic scientific research into mechanical property, thermal property, flowing property during solid-liquid two-phase abrasive flow machining in force, heat and flow multi-physical coupled field. It explores in the special passages the coupling between the abrasive and the wall, and between the abrasive and the fluid, the way to calculate hydromechanics model and its boundary, and initial conditions in solid-liquid two-phase flow field,and it also probes into the laws of two-phase flow mechanics, heat generation, heat transfer and the flowing during abrasive flow machining. Through methods, such as Computational Fluid Dynamics(CFD), tests and 6σ theories, the statistic model of major machining parameters is built, abrasive flow machining quantitative forecasting model is set, and the theoretical model of the collision beetween surface roughness againist abrasive and wall is proposed, which build the foundation for the development of abrasive flow micro-cutting and fine finishing theory, have the important theoretical significance and academic value for the explanation of abrasive flow ultra-precision cutting mechanism, and offer feasible solution to the improvement of abrasive flow ultra-precision machining ability.

在军工及民用领域，许多关键零件存在特殊通道，如变口径和非直线管。其表面质量往往决定整体使用性能，现已成为超精密加工领域迫切需要解决的问题，但目前普通加工方法却不能有效改善其表面质量，磨粒流加工技术为其提供了有效的解决途径。本研究拟采用数值模拟结合理论分析、实验研究的方式对力、热、流多物理耦合场固-液两相流磨粒流加工过程中的力学特性、热特性和流动特性进行基础科学研究。探讨特殊通道内磨粒与壁面及流体耦合作用、固-液两相流流场计算流体力学模型及其边界与初始条件，探索磨粒流加工两相流力学、生热和传热及流动规律。通过计算流体动力学(CFD)、检测技术和6σ理论等手段为主要加工参数建立统计学模型，构建磨粒流加工定量预测模型，提出表面粗糙度对磨粒和壁面碰撞作用理论模型，为磨粒流微切削精加工理论发展奠定基础，对阐明磨粒流超精密加工机理具有重要理论意义和学术价值，为提高磨粒流超精密加工能力提供可行解决思路。

在军工及民用领域，许多关键零件存在特殊通道，如变口径和非直线管。关键零件的表面质量往往决定整体使用性能，因此人们迫切需要提高其表面质量，以减少零件的磨损、提高其配合精度和疲劳强度以及耐腐蚀性等性能，从而推动光整加工技术的快速发展。但目前的常规加工技术受加工形状和加工效益的限制无法实现特殊通道如非直线管表面的光整加工，对那些微小孔、异型深孔的超精密加工更是束手无策，而非直线管零件在军工及民用领域应用广泛且用量非常大，磨粒流加工技术为其提供了有效的解决途径。本研究拟采用数值模拟结合理论分析、实验研究的方式对力、热、流多物理耦合场固-液两相流磨粒流加工过程中的力学特性、热特性和流动特性进行基础科学研究。项目在研究过程中通过探讨特殊通道内磨粒与壁面及流体耦合作用、固-液两相流流场计算流体力学模型及其边界与初始条件，探索磨粒流加工两相流力学、生热和传热及流动规律，对特殊通道进行磨粒流加工并建立联系，经磨粒流加工后的通道表面质量有较大幅度的提升。通过计算流体动力学、检测技术和六西格玛理论并依据磨粒流加工的试验实际，建立了磨粒流加工内流场表面粗糙度与材料物性之间的数学模型；利用耗散粒子动力学、分子动力学等数值方法对微纳尺度壁面速度滑移及边界温度跃变进行模拟研究，揭示磨粒与零件表面及流体与零件表面相互作用对生热及传热的影响，建立表面粗糙度微磨削模型；利用六西格玛原理为主要加工参数建立统计学模型，通过收集、整理和分析统计数据，探索数据内在的数量规律性，构建基于工作条件、研磨介质物理属性等因素的磨粒流加工定量预测模型，提高了对磨粒流加工机理的科学认识；综合数值模拟和实验研究，修正并完善多物理耦合场磨粒流加工的定量表达预测模型。据此，开展磨粒流精密加工技术研究可满足国家对具有高质量表面的特殊通道零件的大量需求，该项目的技术有着广阔的市场，具有重要的应用价值。通过发现热流固耦合场固液两相流流动及传热过程中的新现象及其物理本质，为磨粒流微磨削精密加工理论的发展奠定了基础，启动多物理耦合场磨粒流加工机理的研究是必要而且迫切的，具有重要的理论研究意义和学术价值。