[发明专利]用于金刚石材料回弹和损伤特性的预测方法

权利要求书

1.用于金刚石材料回弹和损伤特性的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立金刚石多磨粒磨削物理模型，包括金刚石磨削磨粒和金刚石材料工件；

S2、基于纳米切削理论，利用分子动力学方法对磨削模型划分计算域，获得金刚石材料的静水应力分布及其原子的位置分布；

S3、基于磨粒实际磨削距离，对整个金刚石材料工件等距离划分相同宽度的切片，建立起金刚石工件的不同磨削距离下的切片模型；

S4、基于共近邻分析理论和方法，提取步骤S3获得的切片模型，针对金刚石材料的晶体结构进行识别和分析；

S5、根据金刚石工件材料的切片模型，计算得到金刚石材料的回弹特性和损伤厚度，并获得材料的回弹特性曲线和损伤特性曲线；

所述步骤S2中，金刚石材料的微观粒子间的相互作用通过确定的势函数求出，其设定材料相互作用势和参数方法如下：

应用多体势函数对金刚石工件原子之间、磨粒原子之间以及磨粒和工件原子之间的相互作用进行计算，所述多体势函数即Tersoff势函数：

其中，E和E_i分别为系统总势能和原子i的势能，V_ij为原子i和原子j之间的势函数；f_C(r_ij)为原子相互作用的截断函数，f_R(r_ij)为排斥项对偶势，f_A(r_ij)为吸引项对偶势，b_ij为调制函数，r_ij为原子i和原子j之间的距离；势函数中对各项子函数和对偶势进行设置，其函数表达式为：

其中，A为吸引项对偶势的结合能，B为排斥项对偶势的结合能，S和R为截断长度，λ为吸引项势能曲线的梯度系数，μ为排斥项势能曲线的梯度系数；

调制函数b_ij的方程为：

其中，β为键级函数，ξ_ij为键角的势能，θ_ijk为原子i、j与原子i、k之间的键角；

所述步骤S2中，对磨削模型划分计算域，通过选择和设定不同计算域下的分子之间的相互作用势，进而求解计算域中材料的静水应力分布和各个原子的位置坐标；

所述步骤S3中建立金刚石工件的不同磨削距离下的切片模型，需要利用牛顿运动定律建立微观粒子的运动方程，通过积分的方法求出粒子的运动轨迹，并通过数值计算得到材料应力分布，其方法包括如下步骤：

S31、选择有限差分法来求解牛顿运动方程，依据原子当前时间步的坐标和速度矢量解出下一个时间步原子的位置和速度，其求解方程为：

其中，r_i为原子i的位置矢量，v_i为原子i的速度矢量径，a_i为原子i的加速度矢量；

S32、通过对势函数的求导得到原子间的相互作用力，其方程为：

第i个原子所受的合力等于其附近全部原子对其作用力的矢量和，即：

S33、利用维里应力计算方法对微观尺度下材料的应力分布进行求解，其方程为：

其中，σ_αβ为原子i的维里应力张量，α和β为笛卡尔坐标分量，Ω为截断域体积，m_i为原子i的质量，v_iα和v_iβ为原子i的速度分量。

2.根据权利要求1所述的用于金刚石材料回弹和损伤特性的预测方法，其特征在于，所述步骤S4中利用步骤S3中获得的维里应力分布数据和材料原子的运动变化，通过共近邻分析方法对材料的晶体结构进行分析的方法如下步骤：

S41、对于某一个原子，首先识别以它为中心的附近第1层4个原子；

S42、然后再去识别这些原子各自的第1近邻3个原子，这第二层的12个原子即为第2近邻原子；

S43、最后计算中心原子与12个第2近邻原子的CNA数值。

3.根据权利要求2所述的用于金刚石材料回弹和损伤特性的预测方法，其特征在于，所述材料的晶体结构中，如果原子在空间上的分布结果按照FCC的结构排列，就将该中心原子判定为立方金刚石原子。

4.根据权利要求2所述的用于金刚石材料回弹和损伤特性的预测方法，其特征在于，所述材料的晶体结构中，如果原子是按照HCP的结构进行排列，则判定为六方金刚石原子，其他排列的方式按照非晶化原子处理。