磨料水射流及其沖蝕過程的介觀模型與模擬.pdf

1、磨料水射流加工技術(shù)是比較好的冷態(tài)加工技術(shù)，在加工超硬材料及多層復(fù)合材料方面有獨特的優(yōu)勢，然而磨料水射流也有其自身的缺點，比如，射流的滯后、過切等現(xiàn)象。要想獲得精確的加工控制，需要對其加工機(jī)理進(jìn)行深入的理解，目前對于磨料水射流的研究大都停留在實驗的分析與總結(jié)，數(shù)值模擬作為理論和實驗之外的第三種分析手段，已經(jīng)越來越多的用于工程中。然而目前常用的分析理論大都基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)的有限元或有限差分方法，磨料射流的加工中包含有復(fù)雜的氣液、固液等

2、二相流模型，而且涉及沖蝕過程，隨著材料的去除，所用的有限元網(wǎng)格會不斷的變化，這對計算結(jié)果的精度帶來了很大影響，其次基于有限元與有限差分的方法在流固耦合時比較困難，對于計算硬件的要求也很高。
　　 本文引入在材料與微納領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的介觀分析手段，將其用于磨料水射流的加工模擬中。首先，研究了元胞自動機(jī)在磨料射流加工中的應(yīng)用模型，即將磨料加工中的相關(guān)因素，抽象成水射流元胞、材料元胞，通過這兩類元胞的作用來模擬沖蝕的系統(tǒng)行為。為了獲得這

3、兩類元胞的演化與相互作用規(guī)則，總結(jié)了已有的水射流理論與磨料沖蝕加工理論，并利用水射流的結(jié)構(gòu)與速度理論，構(gòu)建了水射流元胞的演化規(guī)則；利用磨料射流的能量沖蝕理論，建立了射流元胞沖蝕靶材元胞的規(guī)則。
　　 根據(jù)所建立的元胞自動機(jī)沖蝕模型，設(shè)計了相應(yīng)的二維和三維元胞自動機(jī)算法，對算法中比較重要的參數(shù)進(jìn)行了分析、選擇、計算。利用二維元胞自動機(jī)模型，實現(xiàn)射流加工過程中出現(xiàn)的滯后現(xiàn)象進(jìn)行有效的分析與模擬；利用三維元胞自動機(jī)方法，不但可以對射流

4、加工滯后現(xiàn)象進(jìn)行模擬，還可以用來對射流加工過程中的坡口現(xiàn)象進(jìn)行模擬分析，實驗與模擬結(jié)果的對比分析，說明了算法與模型的正確性。
　　 由于理論缺陷，元胞自動機(jī)動機(jī)難以精確表示水射流的演化過程，所以本文引入了格子Boltzmann方法(LBM)進(jìn)行水射流的分析。首先對相關(guān)的LBM理論及常用模型進(jìn)行了總結(jié)，接著分析了淹沒射流的LBM應(yīng)用模型，由于高壓射流屬于湍流，所以常規(guī)的LBM，是不能穩(wěn)定運行的，在比較了幾種解決辦法后，選擇在格子粘

5、度中添加湍動粘度的方法，來有效保證LBM的穩(wěn)定計算，湍流模型采用大渦模型，本文對其中的應(yīng)用公式重新進(jìn)行了推導(dǎo)。
　　 非淹沒射流屬于氣液二相流，本文比較分析了幾種常用的LBM多相流模型，自由能模型可以用于大密度比二相流，但是不能應(yīng)用于湍流。于是本文對自由表面流進(jìn)行了分析，該方法是忽略氣體內(nèi)部流動的一種單相流模型，所需的計算內(nèi)存比較小，但是在重構(gòu)界面及計算表面張力的時候，已有的方法都比較復(fù)雜，本文引入在Level Set中使用的表