[发明专利]一种基于离散元固液两相磨粒流抛光材料去除的数值模拟方法

说明书

本发明涉及一种基于离散元固液两相磨粒流抛光材料去除的数值模拟方法，其具体方法如下：(1)建立物理模型；(2)在CFD‑DEM耦合中设置参数；(3)在Abaqus软件中设置参数；(4)应用Abaqus软件数值模拟项；基于离散元固液两相磨粒流抛光材料去除的数值模拟结果分析包括：(1)CFD‑DEM耦合数值模拟分析结果；(2)Abaqus数值模拟分析结果；磨粒流抛光过程中磨粒与磨粒和磨粒与工件壁面的相互作用，分析磨粒对工件壁面碰撞、去毛刺和倒圆角的过程，分析单磨粒对壁面滑擦的材料去除和多磨粒对壁面碰撞的材料去除，探讨磨粒对工件内表面的磨损程度，获得了磨粒对工件壁面冲蚀的材料去除机理。

技术领域

本发明涉及一种基于离散元固液两相磨粒流抛光材料去除的数值模拟方法，属于固液两相磨粒流精密加工技术领域。

背景技术

早在二十世纪初期，Preston即已提出了玻璃抛光工艺中的材料去除率方程，根据这个数学方程式，材料去除率是与施加的压力和相对速度成线性比例关系；这个材料去除率的数学模型可以写成如下形式的方程：ρ＝C_PPV，其中，ρ是材料去除率，C_P是Preston常数，P是施加的有效抛光区域的抛光压力，V是两个界面的相对运转速度。

磨粒流抛光微小孔过程中，微小孔零件通过夹具固定于抛光位置上，具有流动性的磨料以一定流速在工件型腔内往复运动，磨料与壁面产生材料去除，通过磨粒的磨损作用从而实现对内表面的光整加工的目的，使其满足其技术要求；因此研究壁面磨损机理可进一步了解磨粒流抛光机制，为实际磨粒流生产加工提供技术理论支持；固液两相磨粒流抛光微小孔过程中，主要靠抛光液在微小孔流道内形成高速颗粒流不断在内表面往复运动，对壁面产生磨损从而实现降低微小孔内表面粗糙度，达到改善其内表面质量的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于离散元固液两相磨粒流抛光材料去除的数值模拟方法，以便为实际生产提供重要的技术指导。

(1)建立物理模型：以微小孔结构的零件为对象；微小孔零件入口处大孔通道直径为Φ1.2mm，出口处小孔直径为Φ0.5mm，微小孔整体流道长度为12.7mm。

(2)在CFD-DEM耦合中设置参数：在CFD中设置液相，在DEM中设置固相，液相为航空液压油与航空煤油按1:3的比例混合而成，固相为碳化硅磨粒与金刚石磨粒按1:1的比例混合而成，磨粒体积分数为10％，设置初始温度为320K，液相与固相速度都为30m/s，入口速度与进口边界面成30°的角度入射，设置碳化硅磨粒为球形，磨粒直径为Φ20μm，金刚石磨粒为椭圆形，长轴为20μm，中轴和短轴为15μm，基于离散元通过CFD-DEM耦合研究分析固液两相磨粒流抛光材料去除的数值模拟。

(3)在Abaqus软件中设置参数：根据抛光工件的最小内径和工件材料属性，设置碳化硅颗粒、三氧化二铝颗粒、石榴石颗粒作为抛光磨粒，设置磨粒直径为Φ20μm，磨粒入射速度(初始速度)为30m/s，模拟时间为t＝1.5×10-4s，在磨粒与工件碰撞的过程中因磨粒与工件的接触面积非常小，故将壁面与磨粒接触处的工件表面看做是平面，工件靶材模型设置为半圆柱体，靶材尺寸设置为Φ100μm×5μm，对建立的磨粒碰撞工件壁面的模型进行网格划分；设置壁面为不锈钢材料，并设置线弹性材料、塑性参数、密度和失效模式，对磨粒与壁面设置显示动态分析，相互作用模块中设置接触类型，完成一个无摩擦的接触属性的定义，对壁面约束，固定壁面；最后可视化模块进行后处理。

(4)应用Abaqus软件数值模拟项：为了探讨磨粒对工件表面材料去除机理，分析抛光过程中磨粒与磨粒和磨粒与工件壁面的相互作用，分析磨粒对工件壁面碰撞、去毛刺和倒圆角的过程，分析单磨粒对壁面滑擦的材料去除和多磨粒对壁面碰撞的材料去除，探讨磨粒对工件内表面的磨损程度，获得了磨粒对工件壁面冲蚀的材料去除机理。

数值模拟分析结果如下：

(1)CFD-DEM耦合数值模拟分析结果：