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    开题报告PPT-基于离散元模拟和实验的陶瓷材料预应力加工机理的研究.ppt

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    开题报告PPT-基于离散元模拟和实验的陶瓷材料预应力加工机理的研究.ppt

    基于离散元模拟和实验的陶瓷材料预应力加工机理的研究,,目录,一。课题的背景概述及研究意义 二。前人的研究成果 三。本课题的研究内容和目标 四。已有实验条件及实验方案 五。进展情况、存在的问题及拟解决方法 六。课题研究的进度安排,1。陶瓷材料的简介,陶瓷离子键和共价键 耐热、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性 能好、硬度高、弹性模量高; 塑性韧性差、 强度可靠性差。 结构材料耐火材料、陶瓷刀具、砂轮等 功能材料半导体,非线性压敏电阻材料等,,力学性能,,用途,2。陶瓷材料的加工,,,,精密、超精密切削,精密、超精密磨削及研磨,精密、超精密特种加工,3。陶瓷材料的磨削机理,通过空隙和裂纹的形成或扩展、剥落及碎裂等方式来完成。,材料是以剪切切屑成形方式去除。,,,压痕断裂力学模型,切削加工模型,陶瓷磨削材料去除机理与陶瓷磨削力学损伤之间的关系,,塑性去除,,脆性断裂去除,材料产生塑性流动,影响加工表面的微观不平度,会产生表面残余应力。,破坏已加工表面的完整性,并残留裂纹损伤。,,,4。课题的研究背景,理 论 分 析,实 验 研 究,FEM、CDM 、MD,,,DEM,5。离散元的简介,把研究对象分离为刚性元素的 集合,使每个元素满足牛顿第 二运动方程,用中心差分的方 法求解各元素的运动方程,得 到研究对象的整体运动形态。,,基本思想,,应用领域,岩石、土力学、陶瓷加工等。 粉体压实、散体颗粒输送等。,,6。BPM模型,通过键连接的方式将颗粒与其 相邻的颗粒粘结在一起形成任意形状的组合体来模拟块体材料。,,作 用,7。BPM模型的局限性,,,,陶瓷断裂,模 型,,沿晶断裂,穿晶断裂,,刚性小球,键 断 裂,,8。完善BPM模型,刚性小球,球间可以拉伸破坏,也可以压缩叠加 。,,Clump,,Cluster,颗粒之间的粘结不会发生破坏,即整个聚粒可以看做一个超级颗粒。,颗粒簇在受到大于其粘结强度的外力时,形成颗粒簇的颗粒间的粘结会破坏,以致颗粒簇内部的颗粒会分离,常用来模拟颗粒的破碎行为。,9。陶瓷模型的建立,,单轴压缩试验,,E,,UCS,,巴西试验,σt,,三点弯曲试验,σb3,,断裂韧性试验,K IC,SIC陶瓷二维离散元模型与实测主要力学性能比较,,10。实际加工存在的问题,,产 生 崩 豁,,产生原因,,,一、材料被切部分与已加工表面的最后分离不是由于正常切削,而是出于拉伸破坏所致。即切削产生的拉伸应力大于材料的抗拉强度允许值时,就会发生崩裂。,二、切削陶瓷形成崩碎切屑时,切屑变形所产生的龟裂往向下延伸,在切削所产生的拉应力的作用下,切屑连同被加工件基体的一部分一起崩落下来形成崩豁。,11。采取措施---预应力加工,改变应力状态来增大工件材料的“塑性”,,,预应力加工技术,,预先在工件待加工表面一定深度内施加弹性范围的拉伸/压缩应力,,保持工件在该应力作用下进行切削或磨削加工,利用刀具对加工表面的挤压作用,将部分预应力通过塑性变形固化在工件表层,,,改变已加工表面残余应力状态,使已加工表面产生残余压应力。通过调整预应力的大小和施加方式,达到对残余应力大小和深度的控制。,=0,=0.1,=0.3,=0.5,12。研究意义,开发新的精密加工技术、优化加工工艺参数能够提高加工质量和加工效率,以及降低生产成本; 阐明陶瓷材料力学性能-加工工艺-损伤之间的关系,建立预应力磨削的工艺技术基础。对发展高效、低损伤的陶瓷材料预应力磨削新工艺有重要的科学意义和工程应用背景。,目录,一。课题的背景概述及研究意义 二。前人的研究成果 三。本课题研究的内容和目标 四。已有实验条件及实验方案 五。进展情况、存在的问题及拟解决方法 六。课题研究的进度安排,最近几年有大量研究集中在陶瓷材料的去除方面,广泛的实验研究了陶瓷材料的表面/亚表面的破坏,并且划痕测试用于研究陶瓷裂纹和破坏的行为。 Lawn建立了陶瓷材料加工的力学模型,提出了基于压痕断裂力学的裂纹体系概念。 由于陶瓷材料的断裂韧性很低,压痕测试常用来验证磨削中微观裂纹的形成和扩张。,有限元法用于模拟陶瓷材料的压痕和机械加工。 zhang等把连续损伤力学引入陶瓷材料的机械加工过程中用来预测材料的破坏。 最近分子动力学用来模拟多晶材料的机械加工过程和在原子尺度上分析机械行为,但研究还不够广泛。 离散单元法用来模拟非连续脆性材料的断裂,目前有应用于岩石,混凝土等。,目录,一。课题的背景概述及研究意义 二。前人的研究成果 三。本课题研究的内容和目标 四。已有实验条件及实验方案 五。进展情况、存在的问题及拟解决方法 六。课题研究的进度安排,采用Cluster技术和弹塑性断裂分析完善陶瓷材料的离散元模型 陶瓷材料压痕、划痕实验中裂纹扩展的离散元模拟与分析 压痕、划痕实验中表面损伤的观测和分析 不同预应力条件下,压痕、划痕实验中裂纹扩展的离散元模拟与分析 设计预应力施加方法及实验装置,进行预应力条件下的压痕、划痕实验并进行观测分析,内 容,建立模拟和分析陶瓷材料加工裂纹扩展的离散元模型 研究预应力条件下的陶瓷材料加工中裂纹的扩展及控制工艺参数 发展高效、低损伤的陶瓷材料预应力加工新工艺,目 标,目录,一。课题的背景概述及研究意义 二。前人的研究成果 三。本课题研究的内容和目标 四。已有实验条件及实验方案 五。进展情况、存在的问题及拟解决方法 六。课题研究的进度安排,智能纳米级抛光机-试样制备 光学显微镜表面观测 微观多功能摩擦学测试仪压痕、划痕实验 扫描电镜形貌观测,裂纹观测 dell服务器离散元模拟,实 验 条 件,1.在微观多功能摩擦学测试仪上进行压痕、划痕实验,并对材料表面的损伤进行观测与分析; 2.在微观多功能摩擦学测试仪上设计预应力施加方法及实验装置; 3. 预应力条件下陶瓷材料的压痕、划痕实验,并观察、测量表面/亚表面裂纹。,,实 验 方 案,目录,一。课题的背景概述及研究意义 二。前人的研究成果 三。本课题研究的内容和目标 四。已有实验条件及实验方案 五。进展情况、存在的问题及拟解决方法 六。课题研究的进度安排,阅读了一定数量的相关文献,较清楚地认识了离散元方法和陶瓷断裂力学 对研究陶瓷加工的数值模拟软件作了一定运用 建立和校准了碳化硅陶瓷材料的离散元模型 大致确定了本课题的实验方案和在微观多功能摩擦学测试仪上的预应力施加方法及实验装置,,进 展 情 况,存在的问题及拟解决方法,,,,SIC切削过程的离散元模拟,,无约束状态的切削加工,目录,一。课题的背景概述及研究意义 二。前人的研究成果 三。本课题研究的内容和目标 四。已有实验条件及实验方案 五。进展情况、存在的问题及拟解决方法 六。课题研究的进度安排,2008.7~2008.8 采用Cluster技术完善陶瓷材料的离散元模型 2008.9~2008.11 不同预应力条件下的陶瓷材料压痕、划痕实验的离散元模拟 2008.12~2009.2 预应力实验装置的设计及预应力条件下陶瓷材料压痕、划痕的实验研究 2009.3~2009.4 撰写毕业论文,参考文献,1. B.R. Lawn, A.A. Evans, I.B. Marshall.Elastic/plastic indentation damage in ceramics the median/radial crack system, Journal of the American Ceramic Society ,1980. 2. Itasca Consulting Group Inc, PFC2D/3D User’s Manuals,2004. 3. D.O. Potyondy, P.A. Cundall.A bonded-particle model for rock, International Journal of Rock Mechanics Mining Science,2004. 4. D.O. Potyondy.Simulating stress corrosion with a bonded-particle model for rock, International Journal of Rock Mechanics Mining Science ,2007.,5. Yuanqiang Tan, Dongmin Yang, Y. Sheng.Study of polycrystalline Al2O3 machining cracks using discrete element method.Machine tools Manufacture,2008.2. 6.N.Cho,C.D.Martin,D.C.Sego.A Clumped particle model for rock.International Journal of rock mechanics and mining sciences,2007.4. 7. H. Huang,B. Damjanac,E. Detournay.Numerical modeling of normal wedge indentation in rocks with lateral confinement,Int. J. Rock Mech. Min. Sci, 1997. 8.Huang H.Discrete Element Modeling of tool-Rock Interaction.MinnesotaUniversity of Minnesota,1999.,9.Zhang W,subhash G.Finite element analysis of interactive Vickers indentation on brittle materials. Acta Material,2001. 10.龚江宏.陶瓷材料断裂力学.清华大学出版社,2001. 11.郝建华.硬脆材料变压应力切削. 新技术新工艺,1991. 12.赵奕,周明,董申,李旦.脆性材料塑性域超精密加工的研究现状.高技术通讯,1999.4. 13.张勤河,张建华,贾志新,艾兴.工程陶瓷材料的加工方法.机械工程师,1997.4.,14.邓朝晖,张璧,孙宗禹,周志雄.陶瓷磨削的材料去除机理. 金刚石与磨料磨具工程,2002.2. 15. 魏群.散体单元法的基本原理数值方法及程序.科学出版社,1991. 16.杨冬民.陶瓷材料加工裂纹的离散元模拟及实验研究.湘潭大学,2007.5. 17.苏盛彪,预应力陶瓷与层状陶瓷复合材料应力分析与设计,中国建筑材料科学研究院,2002.7. 18.朱洪涛,陶瓷磨削表面力学损伤评价及裂纹损伤可控磨削研究,天津大学,2004.1.,感谢各位老师莅临指导,

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