金剛石磨粒
關注創建者：匿名 創建時間：2021-09-30
金剛石磨粒的視頻教程
磨粒研磨軌跡SPH仿真
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電磁檢測與仿真系列課-05-Comsol 2D、3D電感式磨粒傳感器仿真
1. 傳感器工作原理，線圈檢測原理 2. 2D\3D模型參數化建模處理 3. 2D動網格仿真設置及求解器設置 4. 2D仿真提取感應線圈完整載波和包絡信號 5. 3D仿真設置及微小顆粒網格剖分 6. 3D仿真噪聲的去除及提取感應電動勢信號
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金剛石磨粒的實例教程
2.2模型簡化
為了使仿真模型更加準確反映實際磨粒加工導致的損傷及裂紋擴展情況，做出如下三點模型簡化，最終模型簡化示意如圖2.3所示。
（1）研磨過程簡化成單顆磨粒對工件的變切深刻劃過程，磨粒設為圓錐狀，工件設為長方體。理由：研磨是通過磨盤上的微粉金剛石磨粒與工件之間的相互沖擊、劃擦等力學物理作用來去除材料（見圖2.1），因此，將研磨盤加工等效為單顆磨粒加工；在極短時間內研磨盤的復雜運動可以等效為直線劃擦運動；此外根據實際金剛石磨粒壓頭形狀，將磨粒設為圓錐形狀，工件設為長方體。
（2）忽略加工系統的振動及工件材料的熱傳導。理由：研磨相對磨削具備更低的轉速，在加工過程中的散熱及振動很小。
（3）磨粒設為剛體。理由：磨粒為金剛石材質，為自然界最硬的物質，其硬度、強度遠遠大于單晶碳化硅。
2.3模型幾何尺寸
刻劃實驗中采用圓錐角為120°，圓錐倒角半徑0.2mm的金剛石壓頭，故仿真中設置磨粒特征尺寸與之相同。工件尺寸與磨粒特征尺寸配合到同一尺度下即可，均為mm級，設為2×1×0.3mm3。
長方體工件（長×寬×高）：2.0mm×1.0mm×0.3mm
圓錐磨粒尺寸：圓錐角120°，圓錐倒角半徑R=0.2mm
3.仿真方法
3.1仿真算法選擇
FEM-SPH（Finite Element Method-Smoothed Particle Hydrodynamics）耦合算法，即有限元-光滑質點流體動力學耦合的方法。
本文所用的加工材料單晶碳化硅屬于典型的硬脆材料，對于硬脆材料的研磨加工仿真，單純用有限元法（FE）來模擬往往會因為網格畸變而導致計算精度低甚至計算強行終止的情況。這是因為在磨屑的形成過程中，材料的去除會經歷彈性變形階段、彈塑性轉變階段、塑性變形階段、塑脆性轉變階段及脆性斷裂，且這一過程中工件材料會產生大量的不連續裂紋。
展開 通過ANSYS/LSDYNA軟件建立雙磨粒90°刻劃氧化鋁陶瓷表面，材料用JH-2本構，損傷失效選用最大拉伸失效，因此fs設為負值，金剛石磨粒為自然界最硬的物質，選用rigid本構。通過速度曲線加載方式定義磨粒的運動方式，模型建立完成后于LSDYNA Solver求解，最終結果用LSPP查看，得出的損失云圖如下圖所示。
30angle 裂紋云圖
30angle 沿深度方向的裂紋分布云圖
調試許久的金剛石磨粒磨削硬脆材料引起的裂紋延伸擴展云圖終于有了一定的進展，紀念一下。2021-12-7.
本文以單顆球形磨粒等切深劃擦碳化硅工件的FEM-SPH耦合模型為例，驗證這一耦合算法的高效性、正確性。
2 FEM-SPH耦合模型算例
2.1模型建立
圖2-1磨粒仿FEM-SPH模型
由于在磨削加工中，實際是金剛石磨粒的刀尖圓弧半徑劃過工件表面實現的材料去除，因此在介觀尺度下，不規則形狀的磨粒可以簡化成球體，工件簡化成與磨粒尺度相匹配的長方體，工件在7.5μm的切深范圍內采用SPH算法建模，剩下部.分采用FEM算法建立有限元網格，SPH粒子總數為144000個，粒子間隔為0.25μm，SPH粒子下的FEM網格工件網格大小并不影響計算結果，為提高計算時間，可適當取大網格間距，本文中取1μm，即4個SPH粒子與1個有限元網格匹配。磨粒仿真模型如圖2-1所示。幾何模型的具體參數如表2-1所示。因為磨粒為金剛石材質，其硬度和彈性模量遠遠大于單晶碳化硅工件，因此在研磨過程中，磨粒幾乎不會發生變形，因此將磨粒（密度3560kg/m3、泊松比0.2、楊氏模量1000GPa）設為剛體。單晶碳化硅是典型的的各向異性材料，本文仿真選用6H-SiC，單晶碳化硅（6H-SiC）工件的本構參數如表2-2所示。
展開 金剛石磨粒壓入硬脆材料的微秒間，硬脆材料表面的材料飛濺情況
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仿真文件說明
1、多面體磨粒自定義隨機建模
2、磨粒在砂輪表面隨機三維分布
3、砂輪磨削模型和仿真
4、磨粒和仿真均可以自定義修改
5、附件為建模和仿真的完整文件
6、該模型答疑和協助仿真
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