一种研磨液颗粒特性的耗散粒子动力学模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机械加工研磨技术领域，具体涉及一种研磨液颗粒特性的耗散粒子动 力学模拟方法。
【背景技术】
[0002] 目前进行耗散粒子动力学方法的软件包括:Gromacs-DPD、FLUIDIX、Materials Studio、CULGI、DL-MESO、GPIUTMD、LAMMPS等，在粒子粗粒化后进行模拟分析中选择较多的 是Materials Studio (MS)软件，它是美国Accelrys公司开发的一款为科学界解决材料微观 分子、原子的软件，通常用于解决化工、材料力学问题，它能够建立立体分子模型进而对其 进行模型优化，同时结合了量子力学、蒙特卡罗和耗散粒子动力学等模拟计算思想和方法， 可通过简单模拟分析分子微观结构，预测分子材料宏观性质。
[0003] MS界面采用Microsoft界面，其对模块化高度集成，通常使用者可利用各模块进行 设置、运行和分析模型参数，通过分析测试计算结果。它通过使用不同模拟计算方法，进而 对不同体系进行研究。常用MS软件模块如表1所示。
[0004] 表1 MS软件常用模块简介
[0006] 碳化硅磨粒，俗称金刚砂，是纯的无色晶体，密度为3.06-3.25之间，硬度很大，莫 氏9.5度，因此常用于流体加工中的粘性磨料，能有效去除小孔周边毛刺，使圆角呈圆弧状， 对工件内壁表面达到抛光效果，加工效果显著。
[0007] 耗散粒子动力学是在介观尺度内的一种模拟方法，根据其理论分析，选用常用的 三种磨粒:碳化硅、三氧化二铝、氮化硼磨粒，首先通过建立晶胞团簇模型，进而对模型仿真 分析，通过分析其温度、压力等方面的数值，进而选取出较合理的模型进行下一步的仿真及 实验研究。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种研磨液颗粒特性的耗散粒子动力学模拟方法，以便更 好地改善研磨液颗粒特性的耗散粒子动力学模拟效果，方便根据需要使用。
[0009] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
[0010] -种研磨液颗粒特性的耗散粒子动力学模拟方法，具体步骤如下：
[0011 ] (1)建立初始结构：运行Material Studio(MS)软件，，新建一个Project命名为晶 胞;打开新的文档;工具栏选择Sketch Atom工具绘制一个晶胞，点击Clean工具修正得到合 理的几何构像；选择菜单栏Modules上的Amorphous Cell，在下列列表中选取 Construction，打开Amorphous Cell Construct ion对话框；点击Add将碳化娃原子添加到 体系中，单价Constituent moIecuIes栏中Number下的数字，设为100，温度选择为295K， Cell type选Periodic cell，其密度设置为3.22;设置完成后，得到碳化硅晶胞团簇模型； [0012] (2)优化体系：得到其碳化娃粒子模型后，通过选用Discover模块中的Minimizer 对其进行优化，打开Discover Minimizer对话框相关设置，然后点击Minimize按钮开始优 化;优化结束之后，会在Project Explorer中创建新目录Sketch IDisco Min，当任务完成 之后，最小化的结构会被存放在这个新目录之下；
[0013] (3)耗散粒子动力学仿真模拟设置:通过以上模型建立及优化，进行Dro模拟分析； 选取DPD Calculation对话框，在Se tup设置栏下选取运行模拟步数20000步，时间步长为 0 · 05，模拟时长为 1000;在Output periods中设置Frame every为 1000步长，Coordinates every为Iframes以及Restart file every为10000步;通过以上模型建立进行无量纲化计 算，采用DPD模拟方法，使系统达到平衡态，因传统DPD方法中保守力权函数具有排斥性，故 当颗粒达到平衡态后，粒子均匀分布在整个区域，应用保守力势函数及改进的积分算法，当 经验系数为λ = 0.65继续展开DH)模拟；
[0014] (4)耗散粒子动力学模拟结果分析:通过DPD模拟后，得到其压力、温度变化曲线、 原子坐标下的压力张量图及压力差异系数曲线;在对碳化硅颗粒进行模拟的过程中，模拟 20000步时的压力状态呈递减趋势，压力值从最初的24 · 5的状态逐渐减小，在0至50时，此时 压力递减最为剧烈，加速度曲线明显，从24.5的状态递减至22.8，DH)颗粒呈现出一定的受 压形态;从50至100模拟过程中，压力维持22 · 6的受力，此刻逐渐趋于稳定状态，碳化硅DPD 磨粒也逐渐呈现稳定的形态。同样在碳化硅DH)颗粒模拟过程中，分析温度的变化趋势，初 始温度选定1.3KT，在进行初始模拟的过程中，从0至10模拟中，温度从1.3KT大幅度降至 1.05KT，温度也呈现出加速下滑状态，此后从10至100模拟之中，碳化硅Dro粒子逐渐稳定至 1.0 KT，Dro粒子也逐渐趋于稳定;通过对其压力张量分析，在X方向上，压力张量最初维持在 22.65，经过原子单元的变化，呈上下波动状态，最高为22.70，最低为22.60，基本维持不变； 而在Y方向上，压力张量呈现出剧烈的运动状态，在最初的原子坐标下，由22.7状态急剧下 滑到22.6，并且在3.5个单元的原子坐标状态下，达到最低值为22.5，其后维持上下波动幅 度减小，维持在22.6;而在Z方向上，随着原子坐标浮动，压力张量也呈现出集聚变化的形 态，由最初的22.8开始，在达到顶峰值22.9后，也在3.5个单元的原子坐标下，急剧下滑至 22.5，并且在其后状态中，再次呈现急剧上升状态;随着原子单元的增加，DH)粒子的压力单 元由最初的-0.08增长到O状态，在其后开始下降至最低值-0.12,通过原子单元增加，达到 顶峰值0.08，并稳定了两个坐标后，开始呈递减趋势，又达到最初的状态，在整个变化过程 中，呈现不稳定的状态;经过以上模拟，碳化硅晶格模型形态不断变化，经过20000步模拟的 压力、张量等的波动，各参数数值逐渐趋于稳定，最终得到碳化硅晶胞团簇模型无定形体 系。
[0015] (5)三种不同磨粒晶胞模拟结果分析:通过对碳化硅晶胞团簇模型的建立，对其团 簇模型特性进行分析之后，对于分析其介观尺度内的性能有了很好的研究，从而更好的反 映其宏观性能;选取磨粒流加工中的磨粒还有:三氧化二铝及氮化硼;三氧化二铝粉末呈白 色状，常用磨粒粒径有2 · 5μπι、7μπι、14μL?、28μL?、120μπι和150μL?，其对工件磨削效果较好，能有 效去除小孔周边毛刺及倒圆角;氮化硼磨粒是一种白色松散粉末，常用磨粒粒径有3.5μπι、7 μL?、1 ΟμL?、14μπ?和40μL?，它的硬度较大，高于碳化硅粉末硬度，其切削能力强;进行同样的参 数设置后，进行DPD仿真分析，通过其压力及温度趋势，结合碳化硅磨粒晶胞团簇模型的特 性分析，进行三种磨粒的晶胞团簇模型数据对比；通过晶胞团簇模型建立及仿真参数设置 后，对三种模型进行DH)仿真分析，得出结果。
[0016] 进一步地，三种模型进行Dro仿真分析的结果为：
[0017] (1)三种模型在模拟时长1000下，仿真后得到的温度及压力变化都呈递减趋势，温 度从1.3ΚΤ左右递减至I. IOKT，压力从25.0左右递减至22.5;从初始模拟至100时，温度递减 率最大，递减至1.15ΚΤ，之后呈平缓趋势；从初始模拟至200时，压力递减率