[发明专利]用于金刚石材料回弹和损伤特性的预测方法

说明书

本发明公开了用于金刚石材料回弹和损伤特性的预测方法，包括以下步骤：S1、建立金刚石多磨粒磨削系统物理模型；S2、利用分子动力学方法对金刚石的磨削模型划分计算域，设定材料原子之间的相互作用势和参数；S3、建立金刚石工件材料的切片模型，得到金刚石工件原子的静水应力分布及其原子的位置分布；S4、利用共近邻分析方法对材料的晶体结构进行识别分析；S5、根据金刚石磨粒磨削的切片模型，计算得到被磨削的金刚石材料的回弹特性和损伤厚度变化，并获得该金刚石材料的回弹特性曲线和损伤特性曲线。本发明实现了多磨粒磨削条件下金刚石器件纳米磨削的仿真计算，并实现金刚石材料回弹率和损伤层厚度变化的预测。

技术领域

本发明属于分子动力学仿真技术领域，具体涉及用于金刚石材料回弹和损伤特性的预测方法。

背景技术

金刚石是自然界目前已知的硬度最高的材料，被广泛地用于工业生产当中。除了硬度高，金刚石材料还具有许多优良的特性，如良好的化学稳定性、极低的热膨胀系数和摩擦系数、高的导热率以及高的光学透过率，使其在机械加工、微电子器件、光学窗口等诸多领域有着很好的应用前景。随着高新技术的不断发展，先进制造技术也得到迅速成长。为了适应激光、大规模集成电路、核能和航空航天等尖端技术的需要，金刚石器件应运而生，并逐渐成为诸多高精尖科技发展的基石。现在有关金刚石材料的研究多集中在材料去除机理的研究，传统的仿真方法无法对金刚石材料的回弹和损伤特性进行预测。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种解决克服现有技术无法预测金刚石材料的回弹和损伤特性的产生的问题，能够实现多磨粒磨削下金刚石材料表面完整性的仿真计算的用于金刚石材料回弹和损伤特性的预测方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：用于金刚石材料回弹和损伤特性的预测方法，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。

进一步地，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；