開題報告ppt-陶瓷材料預應力加工機理的數(shù)值模擬與試驗研究

1、陶瓷材料預應力加工機理的數(shù)值模擬與試驗研究,院 系： 機械工程學院 專 業(yè)： 機械設計及理論 方 向： 超精密加工摩擦學導 師： 譚援強 教授 碩 士： 姜勝強 日 期： 2009年4月,目錄,一、課題的背景、來源及研究意義二、前人的研究成果三、本課題的研究內(nèi)容和目標四、已有實驗條件及實驗方案五、進展情況、存在的問題及擬解決方法六、課題研究的進

2、度安排,1、陶瓷材料的簡介,陶瓷：離子鍵和共價鍵 耐熱、耐磨、耐腐蝕、絕緣、抗蠕變性 能好、硬度高、彈性模量高； 塑性韌性差、 強度可靠性差。 結(jié)構(gòu)材料：耐火材料、陶瓷刀具、砂輪等 功能材料：半導體,非線性壓敏電阻材料等,

3、,力學性能,,用 途,2、陶瓷材料的加工,,,,精密、超精密切削,精密、超精密磨削及研磨,精密、超精密特種加工,,3、陶瓷材料的磨削機理,通過空隙和裂紋的形成或擴展、剝落及碎裂等方式來完成。,材料是以剪切切屑成形方式去除。,,,壓痕斷裂力學模型,切削加工模型,,陶瓷磨削材料去除機理與陶瓷磨削力學損傷之間的關(guān)系,,塑性去除,,脆性斷裂去除,材料產(chǎn)生塑性流動，影響加工表面的微觀不平度，會產(chǎn)生表面殘余應力。,破壞已加工表面的完整性，并

4、殘留裂紋損傷。,,,4、課題的研究思路,理 論 分 析,數(shù) 值 模 擬,實 驗 研 究,斷裂力學：預應力下裂紋的擴展,PFC：不同參數(shù)條件下的數(shù)值模擬（殘余應力、裂紋、熱應力）,不同參數(shù)條件下的劃痕實驗、磨削實驗,5、離散元法簡介,把研究對象分離為剛性元素的 集合，使每個元素滿足牛頓第 二運動方程，用中心差分的方

5、 法求解各元素的運動方程，得 到研究對象的整體運動形態(tài)。,,基本思想,,應用領(lǐng)域,巖石、土力學、陶瓷加工等。粉體壓實、散體顆粒輸送等。,,6、BPM模型,通過鍵連接的方式將顆粒與其 相鄰的顆粒粘結(jié)在一起形成任意形狀的組合體來模擬塊體材料。,,作 用,7、BPM模型的局限性,,,,陶瓷斷裂,模 型,,沿晶斷裂,穿晶斷裂,,剛性小球,鍵 斷

6、裂,,8、完善BPM模型，優(yōu)化cluster,剛性小球，球間可以拉伸破壞，也可以壓縮疊加 。,Clump,Cluster,顆粒之間的粘結(jié)不會發(fā)生破壞，即整個聚?？梢钥醋鲆粋€超級大顆粒。,顆粒簇在受到大于其粘結(jié)強度的外力時，形成顆粒簇的顆粒間的粘結(jié)會破壞，以致顆粒簇內(nèi)部的顆粒會分離，常用來模擬顆粒的破碎行為。,Cluster置換ball,尋找周圍的ball構(gòu)成cluster,,9、陶瓷模型的建立,,單軸壓縮試驗,,E,?,UCS,,巴西試

7、驗,σt,,三點彎曲試驗,σb3,,斷裂韌性試驗,K IC,SIC陶瓷二維離散元模型與實測主要力學性能比較,,10、實際加工存在的問題,,產(chǎn) 生 崩 豁,,產(chǎn)生原因,,,一、材料被切部分與已加工表面的最后分離不是由于正常切削，而是出于拉伸破壞所致。即切削產(chǎn)生的拉伸應力大于材料的抗拉強度允許值時，就會發(fā)生崩裂。,二、切削陶瓷形成崩碎切屑時，切屑變形所產(chǎn)生的龜裂往向下延伸，在切削所產(chǎn)生的拉應力的作用下，切屑連同被加工件基體的一部分一起崩落下

8、來形成崩豁。,11、采取措施——預應力加工,改變應力狀態(tài)來增大工件材料的“塑性”,,,預應力加工技術(shù),,預先在工件待加工表面一定深度內(nèi)施加彈性范圍的拉伸/壓縮應力,,保持工件在該應力作用下進行切削或磨削加工，利用刀具對加工表面的擠壓作用，將部分預應力通過塑性變形固化在工件表層,,,改變已加工表面殘余應力狀態(tài)，使已加工表面產(chǎn)生殘余壓應力。通過調(diào)整預應力的大小和施加方式，達到對殘余應力大小和深度的控制。,,壓痕裂紋擴展模擬,σ0為施加的約束

9、應力，σc為材料的抗壓強度,12、課題的來源,國家自然科學基金項目“基于離散元模擬和實驗的陶瓷材料預應力磨削加工機理及技術(shù)研究”(50875224) 。教育部新世紀人才培養(yǎng)計劃(NCET06-0708)。,13、研究意義,開發(fā)新的精密加工技術(shù)、優(yōu)化加工工藝參數(shù)能夠提高加工質(zhì)量和加工效率，以及降低生產(chǎn)成本；闡明陶瓷材料力學性能－加工工藝－損傷之間的關(guān)系，建立預應力磨削的工藝技術(shù)基礎。對發(fā)展高效、低損傷的陶瓷材料預應力磨削新工藝有重要

10、的科學意義和工程應用背景。,目錄,一、課題的背景概述及研究意義二、前人的研究成果三、本課題研究的內(nèi)容和目標四、已有實驗條件及實驗方案五、進展情況、存在的問題及擬解決方法六、課題研究的進度安排,最近幾年有大量研究集中在陶瓷材料的去除方面，廣泛的實驗研究了陶瓷材料的表面/亞表面的破壞，并且劃痕測試用于研究陶瓷裂紋和破壞的行為。Lawn建立了陶瓷材料加工的力學模型，提出了基于壓痕斷裂力學的裂紋體系概念。由于陶瓷材料的斷裂韌性很低

11、，壓痕測試常用來驗證磨削中微觀裂紋的形成和擴張。,有限元法用于模擬陶瓷材料的壓痕和機械加工。Zhang等把連續(xù)損傷力學引入陶瓷材料的機械加工過程中用來預測材料的破壞。最近分子動力學用來模擬多晶材料的機械加工過程和在原子尺度上分析機械行為，但研究還不夠廣泛。離散單元法用來模擬非連續(xù)脆性材料的斷裂，目前有應用于巖石，混凝土等。,目錄,一、課題的背景概述及研究意義二、前人的研究成果三、本課題研究的內(nèi)容和目標四、已有實驗條件及實驗方

12、案五、進展情況、存在的問題及擬解決方法六、課題研究的進度安排,優(yōu)化Cluster技術(shù)完善陶瓷材料的離散元模型，建立陶瓷預應力下彈塑性斷裂分析數(shù)學模型；陶瓷材料預應力下切削、磨削實驗中裂紋擴展的離散元模擬與分析；陶瓷材料預應力下切削、磨削實驗中殘余應力的離散元模擬與分析；設計預應力施加實驗裝置，進行預應力條件下的壓痕、劃痕實驗并進行觀測分析；進行不同預應力條件下磨削實驗，觀察裂紋擴展、殘余應力分布以及分析。,內(nèi) 容,建立模擬

13、和分析陶瓷材料磨削加工的DEM模型研究預應力磨削條件下的陶瓷材料加工中裂紋的擴展、殘余應力的分布及控制工藝參數(shù)預應力磨削中材料力學性能與工藝參數(shù)的匹配及對應的損傷評價體系,目 標,目錄,一、課題的背景概述及研究意義二、前人的研究成果三、本課題研究的內(nèi)容和目標四、已有實驗條件及實驗方案五、進展情況、存在的問題及擬解決方法六、課題研究的進度安排,智能納米級拋光機――－試樣制備 光學顯微鏡―――表面觀測 微觀多功能摩擦學測

14、試儀―――壓痕、劃痕實驗 掃描電鏡―――形貌觀測，裂紋觀測 Dell服務器―――離散元模擬,實 驗 條 件,在CETR測試儀上進行有/無預應力狀態(tài)的壓痕、劃痕實驗，并對材料表面的損傷進行觀測與分析（對比）；在CETR測試儀上進行不同預應力條件下的壓痕、劃痕實驗，并觀察材料的損傷對比）；在磨床上進行不同預應力條件下的磨削實驗，并觀察材料的損傷以及殘余應力的分布；,,實 驗 方 案,目錄,一、課題的背景概述及研究意義二、前人的

15、研究成果三、本課題研究的內(nèi)容和目標四、已有實驗條件及實驗方案五、進展情況、存在的問題及擬解決方法六、課題研究的進度安排,閱讀了一定數(shù)量的相關(guān)文獻，較清楚地認識了離散元方法和陶瓷斷裂力學對研究陶瓷加工的數(shù)值模擬軟件作了一定運用建立和校準了碳化硅陶瓷材料的離散元模型大致確定了本課題的實驗方案和預應力施加方法及實驗裝置,,進 展 情 況,碳化硅DEM模擬的殘余應力統(tǒng)計,刀具前角對殘余應力的影響,切削速度對殘余應力的影響,切削深度

16、對殘余應力的影響,不同切削深度下的殘余應力云圖,v＝10m/s、ap＝5μm,v＝10m/s、ap＝15 μm,v＝10m/s、ap＝25 μm,不同切削速度下的殘余應力云圖,v＝5m/s、ap＝15μm,v＝10m/s、ap＝15 μm,v＝15m/s、ap＝15 μm,,,a,a,,,,,,b,,b,SEM照片與Cluster模型,1.構(gòu)成cluster的ball的個數(shù)無需指定，只需指定其最大個數(shù),優(yōu)化后clutser的特點：,

17、2.構(gòu)成后cluster的形狀不確定，可以任意,3.更加真實的反應了陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)形狀,磨削實驗夾具設計,,,,,,試件,傳感器,傳感器,加載機構(gòu),加載機構(gòu),可實時顯示預應力大小，x、y方向同時加壓,存在的問題及擬解決方法,,,如何建立預應力下單個磨粒作用的數(shù)學模型以及KIC的推導,？？？,磨削過程DEM模擬,,？？？,磨粒以何種方式進入磨削狀態(tài)？,1.垂直壓入一定深度以后平行與工件表面磨削；,2.逐漸壓入一定深度以后平行與工件表

18、面磨削；,3.去除起始端顆粒，然后平行與工件表面磨削；,,目錄,一、課題的背景概述及研究意義二、前人的研究成果三、本課題研究的內(nèi)容和目標四、已有實驗條件及實驗方案五、進展情況、存在的問題及擬解決方法六、課題研究的進度安排,2009.4～2008.5 采用Cluster技術(shù)完善陶瓷材料的離散元模型 2009.6～2008.10 不同預應力條件下的陶瓷材料切削、磨削實驗的離散元模擬2009.11～2010.2 預應力條

19、件下陶瓷材料磨削的實驗研究（包括裂紋觀察以及殘余應力測量）2010.3～2010.4 撰寫畢業(yè)論文,參考文獻,1. B.R. Lawn, A.A. Evans, I.B. Marshall.Elastic/plastic indentation damage in ceramics: the median/radial crack system, Journal of the American Ceramic Society ，19

20、80. 2. Itasca Consulting Group Inc, PFC2D/3D User’s Manuals，2004.3. D.O. Potyondy, P.A. Cundall.A bonded-particle model for rock, International Journal of Rock Mechanics &Mining Science，2004.4. D.O. Potyondy.Sim

21、ulating stress corrosion with a bonded-particle model for rock, International Journal of Rock Mechanics & Mining Science ，2007.,5. Yuanqiang Tan, Dongmin Yang, Y. Sheng.Study of polycrystalline Al2O3 machining cracks

22、 using discrete element method.Machine tools & Manufacture，2008.2.6.N.Cho,C.D.Martin,D.C.Sego.A Clumped particle model for rock.International Journal of rock mechanics and mining sciences，2007.4.7. H. Huang，B. Damj

23、anac，E. Detournay.Numerical modeling of normal wedge indentation in rocks with lateral confinement，Int. J. Rock Mech. & Min. Sci, 1997.8.Huang H.Discrete Element Modeling of tool-Rock Interaction.Minnesota:Universit

24、y of Minnesota,1999.,9.Zhang W,subhash G.Finite element analysis of interactive Vickers indentation on brittle materials. Acta Material,2001.10.龔江宏.陶瓷材料斷裂力學.清華大學出版社，2001.11.郝建華.硬脆材料變壓應力切削. 新技術(shù)新工藝，1991.12.趙奕，周明，董申，李旦.脆

25、性材料塑性域超精密加工的研究現(xiàn)狀.高技術(shù)通訊，1999.4.13.張勤河，張建華，賈志新，艾興.工程陶瓷材料的加工方法.機械工程師，1997.4.,14.鄧朝暉，張璧，孫宗禹，周志雄.陶瓷磨削的材料去除機理. 金剛石與磨料磨具工程，2002.2.15.魏群.散體單元法的基本原理數(shù)值方法及程序.科學出版社，1991.16.楊冬民.陶瓷材料加工裂紋的離散元模擬及實驗研究.湘潭大學，2007.5.17.蘇盛彪，預應力陶瓷與層狀陶瓷復合