[发明专利]一种固液两相磨粒流精密加工分子动力学构建方法

摘要

本发明涉及了一种固液两相磨粒流精密加工分子动力学构建方法，其具体方法如下：(1)分子动力学仿真模型的建立；(2)设定模拟区域的边界条件；(3)势函数的选取；(4)系统弛豫；(5)设定和模拟相关参数；(6)核心算法仿真计算；(7)系统内部平衡态演化；(8)数据处理与可视化处理。本发明方法基于微观尺度摩擦与材料晶态结构理论，以碳化硅磨粒微切削铁碳合金工件材料为研究对象，通过对磨粒微切削的动态过程进行分子动力学数值分析，发现在磨粒微切削过程中工件内部存在原子团簇、V形位错环、堆垛层错和位错缺陷结构，对缺陷结构特征及其形成、变化和运动规律进行分析，揭示磨粒流加工铁碳合金材料的微切削作用机制。

主权项

1.本发明涉及一种固液两相磨粒流精密加工分子动力学构建方法，其特征在于：具体步骤如下：(1)分子动力学仿真模型的建立：利用Lammps软件构建金属铁的晶体模型，选取α‑Fe的晶格常数为0.2863nm，模型在x、y和z方向上分别对应晶向[100]、[010]和[001]，各方向尺寸为其中包含114388个Fe原子。工件内碳原子的质量分数分别定为0.30％、0.40％、0.50％和0.60％，根据不同的碳原子质量分数，在所构建的金属铁晶体模型的晶格间隙相应阵点位置处随机加入相应数量的碳原子。选择立方碳化硅为磨粒，利用Materials studio软件中Visualizer窗口构建碳化硅磨粒模型，模型直径包含724个硅原子和682个碳原子，初始放置在工件右上方距工件边缘位置，在Discover设置中能量模块选择CVFF立场，对模型进行空间结构最优化及能量最小化处理；(2)设定模拟区域的边界条件：施加周期性边界条件并引入最近邻像约定，对中心元胞内的原子运动及其相互作用进行计算；(3)势函数的选取：选择EAM势来描述铁碳合金工件中Fe‑Fe、Fe‑C和C‑C之间的相互作用，选择Morse势函数来描述铁碳合金工件与碳化硅颗粒中Fe‑Si、Fe‑C(SiC)、C‑C(SiC)和C‑Si之间的相互作用，选择Tersoff势函数来描述碳化硅颗粒中C‑C、C‑Si和Si‑Si之间的相互作用；(4)系统弛豫：选择等温等压系综(NPT)进行平衡约束，利用Nose‑Hoover热浴法将系统弛豫10000步，以使系统初始模型达到平衡状态；(5)设定和模拟相关参数：模拟系统的初始温度分别设定为290K、300K、310K、和320K，磨粒速度设定为60m/s，切削深度为数值模拟步数为140000步，积分步长选择为1fs；(6)核心算法仿真计算：确定原子初始位置和速度，根据计算系统势能及原子受力。根据Verlet积分算法预测下一时刻原子速度。根据计算系统动能，验证系统动能是否满足如果满足，则根据Verlet积分算法预测下一时刻原子位置，统计计算结果；(7)系统内部平衡态演化：选择微正则系综(NVE)对模拟体系进行平衡约束，当系统能量趋于目标值，且原子速度按照Msxwell‑Boltzmann随机分布时，可认为系统达到了平衡状态；(8)数据处理与可视化处理：通过Lammps软件对自行编写的程序文件进行分子动力学仿真计算，统计计算结果，得到模拟过程及计算结果的相关数据的输出文件，输出文件中包含了变量参数及原子坐标的变化信息，选择Origin软件进行数据处理，选择Ovito软件进行可视化处理。