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

本发明专利技术涉及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，具体步骤如下：(1)计算模型建立及初始条件；(2)计算模型边界条件的设置；(3)模型网格的划分；(4)仿真分析；(5)加工参数对介观状态模拟的研究：(a)不同浓度对磨粒加工的影响；(b)加工温度对颗粒磨削加工零件的影响；(c)加工速度对颗粒磨削加工零件的影响。通过本发明专利技术中的仿真模拟加工，对介观状态下颗粒影响磨粒流加工提供了借鉴，为在实际生产加工过程中提供了理论支持，弥补了宏观和微观状态下研究颗粒磨削的不足，完善了颗粒磨削工件的理论。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机械加工研磨
，具体涉及一种介观尺度内研磨液颗粒与工件的磨削模拟方法。
技术介绍
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，来进行以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门最新发展的介观尺度模拟技术，它以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。本专利技术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涉及到，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。本专利技术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、温度场、密度场、湍流动能以及磨粒径迹的影响；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。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。离散相模型(DiscretePhaseModel，DPM)是在拉格朗日观点下进行的，它是以以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以空间点为研究对象。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，它的计算结果是以空间点上的温度、密度、压强的变量分布形式所表现出的；而其中的油滴却以离散相为主，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以作为介观尺度内的选择颗粒的最佳模型，并以之作为仿真分析的方法。
技术实现思路
本专利技术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，以便更好地针对工件研磨进行数据模拟，改善研究效果。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下。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，具体步骤如下：(1)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进行三维绘图，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；通过建立喷油嘴三维实体模型及几何模型，为进行磨粒磨削分析奠定基础，通过三维软件作图，结构分布合理之后，再进行FLUENT仿真模拟分析；(2)计算模型边界条件的设置，具体包括：(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；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湍流状态，在Model中选择选择k-epsilon模型，k-epsilonModel中选择Realizable，确认即可；在能量模型中选取EnergyEquation激活能量方程；离散相：进行不同粒径、不同温度、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；(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；(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温度300K，在进行不同温度仿真时，选取290K、300K、310K、320K进行模拟；(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，以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；(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湍流模型，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。仿真分析具体包括以下一些：(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、加工温度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200μm、400μm、600μm、800μm进行仿真模拟，得到四种不同粒径下的多物理耦合场的模拟结果图像；(b)不同粒径下温度场的分析：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温度场的分析。(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。(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。(e)不同粒径下湍流动能的分析：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湍流动能分析，发现随着磨粒开始进入喷油嘴开始，整个大孔腔体的湍流动能最小，而随着磨粒逐渐进入内孔处时，在交叉口处，湍流动能开始增加，在小孔内壁处达到最大，在小孔出口处有所减弱。(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湍流动能分析。(5)加工参数对介观状态模拟的研究：选取磨粒粒径500μm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耦合场的影响，通过理论模拟探究其影响对实本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于：具体步骤如下：(1)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进行三维绘图，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；通过建立喷油嘴三维实体模型及几何模型，为进行磨粒磨削分析奠定基础，通过三维软件作图，结构分布合理之后，再进行FLUENT仿真模拟分析；(2)计算模型边界条件的设置，具体包括：(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；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湍流状态，在Model中选择选择k‑epsilon模型，k‑epsilon Model中选择Realizable，确认即可；在能量模型中选取Energy Equation激活能量方程；离散相：进行不同粒径、不同温度、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％；(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；(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温度300K，在进行不同温度仿真时，选取290K、300K、310K、320K进行模拟；(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，以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；(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；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湍流模型，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；(5)加工参数对介观状态模拟的研究：选取500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耦合场的影响，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。...

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于：
具体步骤如下：
(1)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
进行三维绘图，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；通过建立喷油嘴三维实体模型及几何模型，为进行磨粒磨
削分析奠定基础，通过三维软件作图，结构分布合理之后，再进行FLUENT仿真模拟分
析；
(2)计算模型边界条件的设置，具体包括：
(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；
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湍流状态，
在Model中选择选择k-epsilon模型，k-epsilonModel中选择Realizable，确认即可；
在能量模型中选取EnergyEquation激活能量方程；
离散相：进行不同粒径、不同温度、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％；
(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；
(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温度300K，在进行不同温度仿真时，
选取290K、300K、310K、320K进行模拟；
(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，以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；
(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；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湍流模型，
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；
(5)加工参数对介观状态模拟的研究：选取500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耦合场的影响，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。
2.根据权利要求1所述的介观尺度条件下的研磨液颗粒...

【专利技术属性】
技术研发人员：李俊烨，杨兆军，乔泽民，张心明，吴庆堂，李学光，许颖，张宝庆，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22