一种介观尺度条件下研磨液颗粒与工件的磨削模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及机械加工研磨技术领域，具体设及一种介观尺度内研磨液颗粒与工件 的磨削模拟方法。
【背景技术】
[0002] 根据耗散粒子动力学理论及对研磨液颗粒的晶胞团簇模拟分析，来进行W原子团 簇为主要磨粒形式、结合磨粒流加工技术探究研磨液颗粒与工件的磨削。而耗散粒子动力 学模拟方法首先是一口最新发展的介观尺度模拟技术，它W研究复杂物系介观结构为主， 是联系宏观尺度和微观尺度的一种新的模拟方法。本发明依据耗散粒子动力学理论及数值 算法，进行介观尺度内研磨液颗粒与工件的磨削仿真。宏观模拟（颗粒粒径尺度大于1微 米），主要用于化工过程模拟，机械制造和加工等领域;微观模拟(颗粒粒径尺度0.1纳米至 10纳米），常用于药物的分子设计、化学机理反应研究及凝聚形态的物理模拟;介观模拟(颗 粒粒径尺度为10纳米至1000纳米之间），主要应用于液晶、相平衡、材料性能等方面的研究， 它实际上起到构架快速分子尺度的动力学和慢速宏观尺度的热力学之间桥梁的作用。而磨 粒流宏观状态的尺度模拟，已经有研究人员参与研究，并得到验证，微观尺度的模拟也应用 到了超精密加工中，而在介观尺度内的模拟仍未设及到，因此，本章进行磨粒流介观尺度内 的模拟具有创新意义，并能在介观模拟下了解磨粒流加工的实质。本发明选取介观尺度内 的磨粒晶格进行磨削加工模拟，深入分析磨粒磨削壁面速度场、溫度场、密度场、端流动能 W及磨粒径迹的影响;再进行不同加工条件下磨粒对壁面的介观模拟分析。图1给出了颗粒 原子团磨削工件的示意图。
[0003] 从示意图中，能够看到介观尺度下的研磨液颗粒原子团的最初形式，经过液压缸 内的活塞运动，经过磨削工件内表面，在进行磨削过程中，原子团的分散及再凝聚，达到去 除工件内表面的毛刺及倒圆角的效果，从而反映了介观尺度下研磨液磨粒晶胞团簇模型对 磨削的影响，对实际生产加工提供理论指导。
[0004] 离散相模型(Discrete Phase Model，DPM)是在拉格朗日观点下进行的，它是W W 单个粒子为对象进行计算的，而连续相计算是在欧拉观点下的W空间点为研究对象。譬如 在液压油与天然气相混合的计算中，其中空气是连续相的，它的计算结果是W空间点上的 溫度、密度、压强的变量分布形式所表现出的；而其中的油滴却W离散相为主，通过模拟油 滴的轨迹、速度、受力作为最终的表现形式。因此离散相的模型可W作为介观尺度内的选择 颗粒的最佳模型，并W之作为仿真分析的方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种介观尺度条件下的研磨液颗粒与工件磨削的数值模 拟方法，W便更好地针对工件研磨进行数据模拟，改善研究效果。
[0006] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
[0007] -种介观尺度条件下的研磨液颗粒与工件磨削的数值模拟方法，具体步骤如下：
[0008] (I)计算模型建立及初始条件:选取柴油发动机喷油嘴零件，入口处通道大孔端口 直径为4mm，喷嘴前端呈锥形状，均匀分布六个喷孔，小孔内径为0.16mm，通过CATIA进行S 维绘图，对不需要进行模拟的零件体部分，进行简化，保留大孔内部及小孔喷嘴流道，得到 其通道几何模型；通过建立喷油嘴=维实体模型及几何模型，为进行磨粒磨削分析奠定基 础，通过S维软件作图，结构分布合理之后，再进行FL肥NT仿真模拟分析；
[0009] (2)计算模型边界条件的设置，具体包括：
[0010] (a)入口边界条件:入口边界条件是指定入口处的流动变量，它包括速度入口边界 条件、压力入口边界条件和质量入口边界条件;其中速度入口边界条件为流动速度和流动 入口的流动属性相关的标量。而根据所选模型为离散相模型，故需要设定连续相与离散相 的情况；
[0011] 连续相:喷油嘴通道进入口采用速度进口条件，设定此时进口处磨粒流为端流状 态，在Model中选择选择k-epsiIon模型，k-邱siIon Model中选择Realizable,确认即可;在 能量模型中选取化ergy Equation激活能量方程；
[0012] 离散相:进行不同粒径、不同溫度、不同速度条件下进行模拟加工，选取的浓度为 10 %，进行不同浓度模拟时，分别选取2 %、4 %、6 %和8 %较为合理；
[0013] (b)出口边界条件：由磨粒流磨削喷油嘴实际条件可知，出口端与外界想通，故设 定为自由出口；
[0014] (C)固体壁面边界条件:设置壁面为无滑移边界条件;针对壁面热边界条件，在选 取不同磨粒粒径、加工速度、体积分数时选取固定溫度300K，在进行不同溫度仿真时，选取 290K、300K、31OK、320K 进行模拟；
[0015] (3)模型网格的划分:根据喷油嘴的几何模型，因其形状较复杂，选取四面体网格 划分比较合理，划分方法比较简单，通过分块处理，W四面体网格对分块后的通道进行划分 并逐个设置网格疏密程度，从而达到控制网格数目与网格质量目的；
[0016] (4)仿真分析:通过对喷油嘴进行物理模型及几何模型的建立，并进行入口边界条 件、出口边界条件和壁面边界条件设置后，通过划分网格，即可进行仿真分析;首先，进行收 敛判断；总体模型设定中，时间类型选择瞬态类型，连续相采用k-epsilon端流模型，根据喷 油嘴模型的尺寸进行离散相跟踪计算的设置中，步长为0.001mm，最大步数为500步。经过 275次迭代，即达到收敛。
[0017] 仿真分析具体包括W下一些：
[0018] (a)不同粒径下压力场的分析:初始条件的设定中，分别采用初始速度80m/s、加工 溫度300K、体积分数为10%进行设定，选取四种介观尺度内的颗粒粒径为200皿、400皿、600 MK800M1进行仿真模拟，得到四种不同粒径下的多物理禪合场的模拟结果图像；
[0019] (b)不同粒径下溫度场的分析:进行同样初始条件的设置后，进行磨粒对工件的磨 削过程中的溫度场的分析。
[0020] (C)不同粒径下密度场的分析:进行同样初始条件的设置后，进行磨粒对工件的磨 削过程中的密度场的分析。
[0021] (d)不同粒径下速度场的分析：同样在选取相同的模拟设置参数，进行离散相的模 拟分析，在初始化的设置中，对XOYZ坐标中，仅设置了X方向的速度参数80m/s，通过模拟后 得到磨粒磨削工件后速度场的分布图像。
[0022] (e)不同粒径下端流动能的分析:进行同样初始条件的设置后，进行磨粒对工件的 磨削过程中的端流动能分析，发现随着磨粒开始进入喷油嘴开始，整个大孔腔体的端流动 能最小，而随着磨粒逐渐进入内孔处时，在交叉口处，端流动能开始增加，在小孔内壁处达 到最大，在小孔出口处有所减弱。
[0023] (f)不同粒径下粒子径迹分析：同样进行初始条件的设置后，进行磨粒对工件的磨 削过程中的端流动能分析。
[0024] (5)加工参数对介观状态模拟的研究:选取磨粒粒径500皿耗散粒子颗粒的进行仿 真模拟，分析在不同加工参数对多物理禪合场的影响，通过理论模拟探究其影响对实验加 工的分析，从而为实验加工提供理论指导。
[0025] (a)不同浓度对磨粒加工的影响:首先探究不同磨料浓度对磨粒流加工的影响，我 们选取500的DPD颗粒作为模拟的研磨液颗粒，选取不同磨料的体积分数进行分析，因其最 大的磨料浓度不能超过10%-12%，故选择四个浓度变量为2%、4%、6%和8%作为仿真的 体积分数，观察其对压力场和端流动能的影响。
[0026] (b)加工溫度对颗粒磨削加工零件的影响：探究不同加工溫度对磨粒流加工的影 响，选取不同加工溫度进行分析，根据实地加工环境，及昼夜加工环境溫度变化，选取290K、 300K、310K、320K作为仿真模拟的加工溫度，通过改变加工溫度观察其对压力场和端流动能 的影响。首先进行动压力的分析，选取的设置参数为体积分数比例10%、磨粒粒径仍为50化 m进行实验分析。
[0027] (C)加工速度对颗粒磨削加工零件的影响:根据W上分析，加工溫度和磨料浓度都 会对磨粒流加工产生影响，来分析加工速度对它的影响，首先进行参数的设置，设置磨粒粒 径为500邮、磨料浓度为10 %、加工溫度选择300K，不同速度参数为40m/s、60m/s、80m/s及 lOOm/s，其它参数不变进行仿真，观察其对动压力及端流动能的影响。
[0028] 该发明的有益效果在于:本发明首先进行了离散相颗粒及体积分数的了解、离散 相求解过程的学习、颗粒运动方程的掌握，继而选取了喷油嘴工件进行=维作图并进行了 网格分析;通过在介观尺度内对磨粒流加工工件的过程分析，首先选取了不同介观状态下 耗散粒子颗粒粒径，包括磨粒粒径为200皿、400]11]1、600皿、800111]1的四种颗粒粒径，通过对四 种粒径的离散相分析模拟，我们能够得到四种粒径下溫度场、速度场、压力场、密度场、端流 动能的不同分布及数据，通过仿真模拟，颗粒粒径大小能够影响到多物理禪合场的分布，颗 粒粒径小能够提高小孔交叉口的去毛刺、倒圆角能力，进而提高喷孔内部的表面粗糖度，提 升雾化能力，说明介观尺度内的耗散粒子颗粒对工件加