本文關(guān)鍵詞：KDP晶體微觀力學(xué)行為及加工性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：KDP(磷酸二氫鉀)晶體是一種性能優(yōu)異的非線性光學(xué)材料,廣泛應(yīng)用于能源、國防、航空航天、基礎(chǔ)核物理研究等國家核心戰(zhàn)略領(lǐng)域。然而,KDP晶體因為具有軟脆、易潮解、對溫度變化敏感、易開裂等特征,已成為典型的難加工材料。深入探索超精密加工中材料微觀力學(xué)行為及損傷產(chǎn)生機制是KDP晶體高效低損傷加工得以實現(xiàn)的必要理論保障。為了從原理上根除有限元方法在局部大變形問題求解中存在的網(wǎng)格畸變弊端,引進了光滑粒子流體動力學(xué)(SPH)無網(wǎng)格仿真算法,以納米壓劃痕為切入點,針對超精密加工中材料的擠壓、劃擦等微觀彈塑性力學(xué)行為進行了研究,并通過開展相關(guān)測試實驗證明了仿真結(jié)果的正確性,具體研究內(nèi)容如下：首先,基于彈塑性理論建立了KDP晶體(001)晶面材料本構(gòu)模型,在該功能晶面上開展了基于SPH方法的多種壓頭納米壓痕仿真,結(jié)果表明：8mN最大加載時等效應(yīng)力呈放射狀圓弧分布,各壓頭與KDP晶體接觸位置存在不同程度應(yīng)力集中。卸載結(jié)束時,等效應(yīng)力主要分布在壓痕棱邊處,且殘留深度為1.3～1.5μm,而等效塑性應(yīng)變相比于最大加載時刻未發(fā)生明顯變化。當(dāng)載荷在0～8mN范圍內(nèi)時,其與等效應(yīng)力影響深度呈近似線性遞增關(guān)系。相同載荷下,各壓頭對應(yīng)的塑性損傷深度關(guān)系與等效應(yīng)力影響深度關(guān)系一致。此外,通過納米壓痕測試獲得了(001)晶面的塑性性能表征及材料屈服極限,同時使仿真合理性得到了證明。其次,依托"ABAQUS-EXPLICIT"動力學(xué)模塊完成了KDP晶體三倍頻晶面各向異性力學(xué)模型的構(gòu)建,開展了納米壓痕SPH數(shù)值模擬,經(jīng)OriginPro8計算得到實驗與仿真載荷-壓入深度曲線的相關(guān)系數(shù)為0.996328,吻合度較高,驗證了力學(xué)模型的正確性,得出三倍頻晶面的屈服強度為240MPa。由于材料的各向異性,工件內(nèi)部應(yīng)力呈不規(guī)則圓弧狀分布。載荷大小與等效應(yīng)力影響深度呈近似線性遞增關(guān)系。材料表層塑性損傷存在“復(fù)映效應(yīng)”。當(dāng)載荷小于2mN時,各壓頭的殘余應(yīng)力深度差異0.2μm；隨著載荷逐漸增大,這種差異不斷擴大。最后,以基于SPH方法的納米劃痕仿真為媒介,針對超精密加工中KDP晶體(001)晶面材料微觀摩擦學(xué)及力學(xué)響應(yīng)特性進行了探索,同時通過納米劃痕實驗證實了模型的可靠性,研究結(jié)果表明：納米尺度刻劃中(001)晶面材料以彈塑性變形為主,并未發(fā)生脆性斷裂。摩擦系數(shù)與法向載荷呈正相關(guān)關(guān)系,具有各向異性特征。隨著刻劃深度的增大,等效應(yīng)力對材料的擾動更加劇烈,該現(xiàn)象表明加工時采用小切深對于獲得高質(zhì)量KDP晶片是必要的。此外,工件材料塑性損傷主要分布于劃溝底部及兩側(cè)。
【關(guān)鍵詞】：KDP晶體 SPH 力學(xué)行為 摩擦學(xué)特性 數(shù)值仿真
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ131.13
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 緒論10-24
• 1.1 研究背景及意義10-13
• 1.2 KDP晶體材料特性13-14
• 1.3 KDP晶體超精密加工研究現(xiàn)狀14-20
• 1.3.1 單點金剛石切削14-16
• 1.3.2 磁流變拋光16-18
• 1.3.3 超精密磨削18-19
• 1.3.4 無磨料水溶解拋光19-20
• 1.4 KDP晶體微觀力學(xué)行為研究現(xiàn)狀20-22
• 1.4.1 測試實驗研究現(xiàn)狀20-21
• 1.4.2 數(shù)值仿真研究現(xiàn)狀21-22
• 1.5 課題來源及主要研究內(nèi)容22-24
• 2 SPH無網(wǎng)格仿真原理與應(yīng)用24-33
• 2.1 SPH方法理論背景24-25
• 2.2 SPH方法算法概述25-26
• 2.3 SPH方法核心問題26-32
• 2.3.1 積分表示26-30
• 2.3.2 粒子近似30-31
• 2.3.3 鄰域搜索31-32
• 2.3.4 光滑長度32
• 2.4 本章小結(jié)32-33
• 3 KDP晶體(001)晶面微觀力學(xué)行為及加工性能33-50
• 3.1 LS-DYNA軟件概述33-34
• 3.2 (001)晶面納米壓痕SPH建模34-39
• 3.2.1 幾何建模34-36
• 3.2.2 材料建模36-37
• 3.2.3 接觸算法37-38
• 3.2.4 邊界條件38-39
• 3.3 實驗驗證及塑性擬合39-41
• 3.3.1 樣件制備39
• 3.3.2 壓痕測試39-40
• 3.3.3 塑性擬合40-41
• 3.4 仿真結(jié)果分析41-49
• 3.4.1 應(yīng)力變化趨勢分析41-43
• 3.4.2 塑性損傷及其對加工影響分析43-45
• 3.4.3 壓頭類型對應(yīng)力影響機制分析45-47
• 3.4.4 壓頭類型與殘余應(yīng)力分布深度關(guān)系分析47-48
• 3.4.5 壓頭類型與塑性損傷分布關(guān)系分析48-49
• 3.5 本章小結(jié)49-50
• 4 KDP晶體三倍頻晶面微觀力學(xué)行為及加工性能50-64
• 4.1 ABAQUS軟件概述50-51
• 4.2 三倍頻晶面納米壓痕SPH建模51-56
• 4.2.1 建立幾何模型51-54
• 4.2.2 構(gòu)造材料模型54-56
• 4.2.3 設(shè)定邊界約束56
• 4.3 壓痕測試及塑性擬合56-59
• 4.3.1 晶體樣件制備56-57
• 4.3.2 壓痕測試實驗57
• 4.3.3 塑性參數(shù)擬合57-59
• 4.4 仿真結(jié)果分析59-63
• 4.4.1 壓頭類型與應(yīng)力分布關(guān)系分析59-60
• 4.4.2 載荷與應(yīng)力影響深度關(guān)系分析60-61
• 4.4.3 塑性損傷的“復(fù)映效應(yīng)”分析61-62
• 4.4.4 殘余應(yīng)力分布深度分析62-63
• 4.5 本章小結(jié)63-64
• 5 KDP晶體微觀摩擦學(xué)特性及力學(xué)響應(yīng)64-77
• 5.1 納米劃痕建模64-68
• 5.1.1 幾何建模64-65
• 5.1.2 材料建模65-66
• 5.1.3 邊界條件66-68
• 5.2 納米劃痕測試實驗68-69
• 5.2.1 晶體樣件制備68-69
• 5.2.2 納米劃痕測試69
• 5.3 結(jié)果分析與討論69-76
• 5.3.1 動態(tài)摩擦行為及模型可靠性分析69-71
• 5.3.2 摩擦系數(shù)的各向異性分析71-72
• 5.3.3 摩擦系數(shù)隨法向載荷變化72-73
• 5.3.4 力學(xué)響應(yīng)特征隨劃入深度變化73-74
• 5.3.5 塑性損傷行為隨劃入深度變化74-76
• 5.4 本章小結(jié)76-77
• 結(jié)論77-79
• 參考文獻79-88
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況88-89
• 致謝89-90

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本文編號：307920