基于SPH方法的K9玻璃加工损伤及裂纹扩展研究

摘要

在航天及核聚变等领域，光学玻璃由于其物理性能、光学性能良好，被广泛应用。K9玻璃作为光学玻璃中应用较为广泛的一种，对其表面质量的要求也越来越高。目前，对K9玻璃的超精密加工工艺及加工方法已成为先进制造领域的重点研究方向。受限于材料本身的物理特性，K9玻璃是难加工的硬脆材料，加工过程中极易造成损伤，导致表面质量下降。对于裂纹如何产生及扩展过程，受限于难以在实验中观察获得，对此的研究极少。应用仿真手段研究材料在加工过程中的变化是一种极为有效的方法。应用光滑粒子流体动力学（SPH）方法能够实现与实际超精密加工尺度接近的仿真过程。本文基于当前研究的不足及实验过程难以观察的现状，应用光滑粒子流体动力学方法对K9玻璃的材料去除形式、加工损伤及裂纹扩展过程开展了一系列仿真研究，并进行了K9玻璃变切深刻划实验验证了仿真结果的正确性，具体工作如下： 应用JH-2本构模型建立了K9玻璃的SPH单颗粒磨削的仿真模型及四种最常用的磨粒形状仿真磨削模型。通过对磨削力、磨削后表面质量的分析，得到：磨削深度为0.1μm时，K9玻璃可以实现完全的塑性域去除；在磨削深度为0.2μm时开始出现脆性断裂，在深度为0.4μm时大量脆性断裂出现，在0.5μm的磨削深度下，K9玻璃完全在脆性域去除。对稳定磨削时的磨削力平均值进行计算，建立了磨削力随磨削深度变化的关系为1.15356FR=0.55078αp。通过分析得到尖锐磨粒负前角切削的切削过程最为平稳，划痕表面质量最高。球形磨粒对材料去除率最高且能够抑制裂纹产生，但引入损伤也最大，为实际加工中磨粒形状选用提供利依据。 建立了K9玻璃单颗粒变切深刻划模型，研究了K9玻璃刻划后的裂纹扩展过程。根据脆性固体断裂基本原理、裂纹扩展类型及断裂韧性公式，提出了利用临界断裂应力和断裂韧性计算侧向裂纹初始长度的方法，并计算出了该条件下的初始裂纹长度。通过研究刻划深度与裂纹深度的关系，观察到了裂纹增长的可逆性现象，发现了K9玻璃材料断裂时存在裂纹延迟扩展现象，并根据能量平衡理论解释了材料内部能量变化。 通过K9玻璃变切深刻划实验，记录了刻划过程中刻划力及划痕形貌的变化情况，测量了刻划后划痕的表面形貌并与仿真结果进行对比，结果表明：得到实验测得结果与仿真过程划痕变化及裂纹出现相一致，由于尺度差异，力比存在一定误差。对比实验的刻划力与仿真力二者具有较高的一致性，验证了仿真结果的正确性。

目录

声明

1. 绪论

1.1 课题来源、研究背景和意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 课题的研究背景和意义

1.2 K9玻璃加工损伤的研究现状

1.2.1 K9玻璃超精密加工损伤实验研究现状

1.2.2 光滑粒子流体动力学仿真超精密加工过程的研究现状

1.3 本文主要工作

2. 材料断裂力学及SPH方法

2.1 引言

2.2 脆性材料断裂力学理论

2.2.1 Griffith的断裂能量理论

2.2.2 均匀拉伸下裂纹扩展原理

2.2.3 裂纹增长的可逆性

2.2.4 裂纹扩展方式及材料断裂韧性

2.3 SPH方法

2.3.1 SPH方法基础

2.3.2 材料模型分析

2.3.3 SPH仿真方法

2.4 本章小结

3. 基于SPH方法的K9玻璃磨削加工损伤研究

3.1 引言

3.2 多磨削深度及磨粒形状建模

3.2.1 多深度磨削仿真建模

3.2.2 多形状磨粒磨削仿真建模

3.3 磨削原理

3.4 多深度磨削仿真分析

3.4.1 磨削力分析

3.4.2 磨削表面质量分析

3.5 多形状磨粒磨削仿真分析

3.5.1 磨削力及力比

3.5.2 材料能量分析

3.5.3 磨粒形状对表面质量影响

3.6 结论验证

3.7 本章小结

4. 基于SPH方法的K9玻璃裂纹扩展研究

4.1 引言

4.2 单磨粒刻划K9玻璃建模

4.3 结果分析与讨论

4.3.1 SPH仿真分析

4.3.2 初始裂纹扩展

4.3.3 裂纹延迟扩展

4.3.4 理论模型验证

4.4 本章小结

5. K9玻璃变切深刻划实验研究

5.1 变切深刻划实验原理及设备

5.1.1 变切深刻划原理

5.1.2 划痕实验设备

5.1.3 K9玻璃表面检测

5.2 刻划实验结果分析

5.2.1 划痕形貌检测

5.2.2 裂纹扩展过程

5.2.3 刻划力验证

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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