金剛石磨粒的案例
基于FEM-SPH耦合算法的磨粒仿真研究
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 磨粒十字刻劃氧化鋁陶瓷損傷仿真云圖
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。
基于FE-SPH耦合的算法采用ANSYS/LSDYNA仿真磨粒磨削硬脆材料的裂紋仿真方法總結 ￥9.99
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.
FEM-SPH耦合算法高效性驗證及球形磨粒恒切深劃擦6H-SiC仿真
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
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
關于超聲研磨藍寶石的SPH模擬仿真方法導出磨屑應力云圖的方法
在刀具切削仿真領域，應用SPH算法進行金剛石刀具切削工件逐漸成為一個熱點。應用SPH算法表征材料在加工過程中的磨屑狀態、損傷情況、亞表面裂紋擴展對于揭示刀具切削原理更加直觀高效，是此方法的最大優勢之處。關于SPH算法的原理及建模思路本帖不加說明，讀者可自行前往技術鄰平臺搜索閱覽。本帖主要給出金剛石磨粒在加工過程中形成的SPH磨屑狀態分布云圖方法。
除去磨削力信號、力表面形貌、亞表面工件損傷云圖等直接表征加工好壞的評價指標，通過加工形成的磨屑狀態也能夠反映刀具的與加工參數的好壞，從而對加工參數進行指導。諸如加工合金類通常出現的卷尺狀切屑與加工鑄鐵等硬脆材料出現的團簇狀磨屑等。下圖給出金剛石工具加工藍寶石的磨屑狀態云圖。
具體方法是通過將SPH粒子顯示成Smooth狀態，調整顆粒大小合適（因模型而定），之后后處理中顯示應力云圖，將云圖播放至加工完成狀態，通過第三方軟件或者LSdyna自帶功能導出云圖，最后可以根據需要標上比例尺。
圖中可以直觀粒子的分布狀態與應力分布釋放，同時粒子飛濺大小也可顯示出來，可以根據磨屑尺度也對標加工切深，這樣就可以建立加工參數與加工質量的關系了。
圖1金剛石工具加工藍寶石磨屑狀態云圖
展開 模型分享001——線鋸往復磨削脆性材料 ￥9.9
金剛石線鋸切割是一種新興的、能有效切割硬脆材料的加工方法,其具有較低的成本、鋸口損耗與環境污染,同時可以獲得更窄的切縫,因此已經成為發展最快、被使用最多的一種硬脆材料切割方法。在金剛石線鋸切割加工中,影響脆性材料晶片表面質量的因素很多,如線鋸速度、工件的進給即線鋸的張力等。
仿真中以固結金剛石磨粒線鋸的往復式切割過程為背景,分析晶片表面應力分布情況以及形貌的生成效果。
文件介紹：CAE文件里面一共四個Model，點擊Job里面的任務就可以進行計算，模型里面既有單方向運動也有往復運動，具體是哪種運動可以有分析步得知；
幾何模型及網格：
材料屬性：
分析步：
邊界位移
仿真結果：
通過添加微信或者QQ可獲得操作視頻
WeChat & QQ：1489785835
展開 基于ABAQUS與Python腳本參數化的批量建模分析
1原由
我們知道，不管是利用ABAQUS或是ANSYS軟件進行建模分析來說，在仿真分析過程中，我們經常會遇到需要多次對模型進行修改的過程，筆者在一個做金剛石磨粒切削硬脆材料的案例中發現，為了研究在不同磨粒切深下的工件損傷情況，需要大量重復設置磨粒的切深，這樣的重復操作大約需要30多組。不僅耗費操作時間，同時耗費大量的計算機運行時間，為此，通過直接寫入參數化的命令語言，集中批量的操作是最有效的計算途徑。總的來說，就是定義不同變量的參數化輸入的模板和一個能夠自動完成建模、執行和結果收集的腳本文件來完成參數化仿真計算。
2研究目的
本案例旨在通過基于ABAQUS平臺，通過Python腳本參數化語言來研究不同材料及厚度的結構剛度和塑性應變情況。
2腳本化建模分析
2.1問題介紹
本文主要講述這種腳本語言的編寫過程，并不在乎模型建立的復雜程度，因此本文以一個簡單懸臂端模型為操作對象進行參數化建模的集中闡述。模型草圖并不復雜，因此選擇在abaqus草圖建模環境中直接繪制，得出的模型如下圖1所示，其中基本尺寸已經標注如草圖之上。模型的相關材料參數及其他幾何參數如表1所示。
展開 面向余熱回收的金剛石納米流體重力熱管強化傳熱研究
面向余熱回收的金剛石納米流體重力熱管強化傳熱研究
面向余熱回收的金剛石納米流體重力熱管強化傳熱研究
納米金剛石具有優異的傳熱性能，能夠分散在水中形成金剛石-水納米流體作為重力熱管的工質強化傳熱。然而，關于金剛石-水納米流體在重力熱管中的傳熱行為及其傳熱性能演變機制的相關研究尚不充分，充液率、質量分數和熱流密度對于傳熱性能的影響規律尚需進一步探究。 02 成果掠影 南京航空航天大學徐九華教授團隊研究了金剛石-水納米流體重力熱管內部工質流動傳熱狀態，進而分析了其傳熱行為。該研究闡明了金剛石-水納米流體充液率和質量分數對流型的影響規律。通過正交試驗發現熱流密度是影響傳熱性能最主要的因素，其次是充液率和質量分數。此外，優選出充液率為20%，質量分數為1%的重力熱管在20×104 W/m2熱流密度下具有最佳的傳熱性能，等效換熱性能達到3485 W/(m2·℃)。該研究為深入理解金剛石-水重力熱管傳熱行為，同時提高重力熱管在余熱回收中的傳熱性能提供了理論基礎和基礎數據。研究成果以“Heat transfer enhancement by diamond nanofluid in gravity heat pipe for waste heat recovery”為題發表于《Functional Diamond》。 03 圖文導讀 圖1. GHP傳熱工藝示意圖。 表1. 金剛石納米流體的關鍵熱物理性質. 圖2. 納米金剛石分布。 圖3. 實驗設置示意圖。 表2. 實驗條件。 圖6. 溫室氣體的流動模式填充：(a)去離子水，(b) 0.5 w.t.%，(c) 1 w.t.%，(d) 2 w.t.%金剛石納米流體。 表3. 三個因素及相應的水平值。 表4. L18（43）正交實驗表。 表5. 實驗結果和范圍分析。 圖7. 不同因子水平下等效傳熱系數平均值的變化趨勢。 END ★ 平臺聲明 部分素材源自網絡，版權歸原作者所有。
展開 除了金剛石，你還知道哪些超硬材料？
通常來說，金剛石的硬度最高，莫氏硬度為10，cBN的硬度稍次于金剛石，所以超硬材料通常是指金剛石和cBN，或由這兩種材料為主要成分分別制成的復合材料。
作為“工業牙齒”應用的四類硬質材料剛玉、SiC、硬質合金、高速鋼的硬度，遠低于金剛石和cBN的硬度，因此超硬材料又被稱為最硬最鋒利的“工業牙齒”或“材料之王”。
超硬材料的結構與性能
1、金剛石的結構與性能
同其他碳材料一樣，金剛石的主要化學元素組成是碳。無論是天然金剛石，還是人造金剛石，但無論那種金剛石都會含 有或多或少的雜質。金剛石一般都含有氮雜質，根據 金剛石晶體內氮元素含量的差異，金剛石可以分為兩種類型（Ⅰ型金剛石和Ⅱ型金剛石）。
金剛石的分類
金剛石的雜化軌道電子云分布、原子結構和晶胞結構
近年來，碳材料是一類非常具有研究熱點的材料。21世紀也被稱為“碳時代”。碳材料以其優異出 眾的性能被廣泛應用于各個領域，尤其是在國家戰略 性新興產業中的應用，石墨烯及碳納米材料、碳纖維 及其復合材料、金剛石、碳基薄膜和傳統碳材料（炭 黑、多孔碳、石墨、特種石墨等）在鋰電、電容器、儲能、 光伏、半導體、光電顯示、５Ｇ 通訊、傳感器、通用航空、 未來交通、高端裝備等領域應用前景廣闊
2、cBN的結構與性能
立方氮化硼（cBN）是第二大品種的超硬材料。氮化硼的化學結構式是 BN，由硼元素和氮元素兩種元素組成。氮化硼具有四種不同的晶體結構，主要有六方氮化硼（hBN）、立方氮化硼（cBN）、菱方氮化硼 （rBN）和密集六方氮化硼（wBN）。
展開 一文了解金剛石半導體
據有關機構預測2020年全球半導體金剛石市場總量為4千萬美元，主要產品包括金剛石襯底、深紫外探測器等光電子器件等（可能包括把作為熱沉的散熱用金剛石）。有機構預測，2025年金剛石襯底的市場總量為2.5千萬美元。金剛石市場的年增長率為10%左右。
不過，由于高質量半導體金剛石制備、摻雜、材料加工、器件工藝等相關的科學和技術問題還沒有解決，金剛石半導體材料的市場還遠遠沒有打開。
文章來源：材料深一度
磨粒加工SPH工件溝槽的形成
磨粒加工SPH工件溝槽的形成
中南大學：泡沫金剛石領域兩項突破性進展！
自主研制的“化學氣相沉積設備及其配套技術”4項專利技術、“化學氣相沉積金剛石涂層刀具和模具系列產品及其工業化生產技術”5項專利技術和“廢水處理用硼摻雜金剛石電極及其工業化生產技術”3項專利技術先后完成了技術孵化，成為目前國內唯一一家可實現硼摻雜金剛石電極大面積、規模化制備的科研單位，相關裝置和產品已開展規模化生產和市場推廣。（來源：中南大學）
磨粒耦合仿真中的求解時間過長問題 ￥5.2
在雙顆磨粒及多顆磨粒耦合劃擦仿真中，隨著磨粒數的增多及對磨粒約束的增加，模型求解時間迅速增加，在設置不出錯的情況下，有時候甚至長達幾百個小時，這是我們不能接受的。建立的模型如圖1所示。我們來分析原因。
圖1 雙顆磨粒耦合模型
首先求解時間過長的原因與磨粒的復雜運動有關，本文中磨粒在Z向做拋物線運動，先向下在向上在sph粒子表面劃過深淺不一的溝槽，其次磨粒在Y方向做勻速直線。這樣的復合運動使得計算量大大增加。
其次磨粒與sph粒子的接觸采用自動點面接觸，多對接觸對使得接觸算法不斷循環，從而計算時間急劇增加，，隨著后面磨粒數增多到三顆、四顆、五顆...其計算時間必然更長，所以改進接觸算法是主要原因。
最后求解時間與sph粒子的數量直接相關。本文中SPH粒子設置的是200000，粒子間隔0.01mm，也即是10μm，粒子之間是通過罰函數來互相建立聯系的，故粒子束增多，罰函數求解時間增長。
展開 雙顆磨粒FEM-SPH聯合建模分析方法
用WB LSDYNA建立雙顆磨粒與FEM、SPH工件部分，用ANSYS19.0 LSDYNA畫網格，磨粒掃掠網格，工件映射網格，其他前處理用LSPP處理，也可以在APDL中完成，最FEM-SPH耦合仍然在LSPP中處理，用UE修改替換關鍵字，主要是材料本構（JH-2），求解用LSDYNA Solver完成，或者ANSYS也行。
此方法還在嘗試中，歡迎大家一起交流探討。
