CN110096832B - 一种高效的纳米切削分子动力学数值模拟方法 - Google Patents

一种高效的纳米切削分子动力学数值模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高效的纳米切削分子动力学数值模拟方法，在仿真开始时只建立工件模型的局部片段，随着刀具向前运动并足够接近当前工件边界时，将新的材料片段接入当前工件前方；同时，在仿真的中后期，对远离刀具的已切削部分原子进行删除，在整个计算周期内工件模型是动态调整的。

Description

一种高效的纳米切削分子动力学数值模拟方法
技术领域
本发明属于超精密加工领域，涉及一种高效的纳米切削分子动力学数值模拟方法。
背景技术
光学、微电子等高技术领域对关键器件的表面质量、形状精度及复杂度的要求日益提高，超精密加工则是满足此需求的核心技术，其中的金刚石超精密切削已经成为光学自由曲面加工的主流方法。高表面质量与精度的实现需要采用纳米尺度的材料去除量进行加工，这可以由锋利的单晶金刚石刀具刃口以及超精密机床的运动精度来保证。低材料去除量的另一个重要作用是能够使传统宏观意义上的脆性材料发生延性域去除，即切削时不出现表面碎裂损伤。因此，超精密切削(有时候也称作纳米切削)不仅能加工塑性材料，也是获得诸如晶体、陶瓷等硬脆性材料光学级表面的重要方法。
切削理论的研究一直以来对理解加工过程、优化工艺参数、提出加工新方法具有关键作用。传统(宏观)切削已经能够采用著名的剪切理论描述，相比之下，纳米切削理论目前尚未成熟，一个主要原因就是尺寸效应的出现：当加工过程发生在纳米尺度时，刀具刃口已经不能看做是绝对锋利的尖点，而是具有近似圆弧形状的轮廓(刃口半径)；同时，材料在纳米尺度下的力学行为与宏观尺度也截然不同，这些因素导致了剪切理论无法正确描述纳米切削，而分子动力学仿真技术成为了纳米切削机理研究的重要工具。
分子动力学仿真在该领域的研究中具有两大优势：首先，数值模拟可以弥补实验技术的缺陷，如材料内部应力场、温度场的分析，并且很容易模拟各种工艺参数下的加工过程，可重复性高；其次，与有限元方法相比，分子动力学在原子尺度对工件与刀具进行建模，能够更加精确地反应不同原子间的相互作用，有效避免了有限元法中材料本构不准确、刀尖处网格畸变严重等问题，因此成为了纳米切削仿真的主流方法。然而，也正是由于分子动力学将物理系统严格按照原子尺度信息建模，其能够处理的时间与空间尺度受到计算机运算资源的严重限制。尤其是空间尺度的限制使得模型尺寸与实际的超精密加工相差甚远，例如，商用的单晶金刚石刀具刃口半径一般在50～70nm，切削深度一般在几十到一百多纳米(脆性材料)，而目前仿真能够处理的刃口半径与切削深度一般都在20nm以下。因此，提高纳米切削分子动力学模拟的计算效率是亟待解决的问题，对切削理论与工艺的研究具有重要意义。
发明目的
针对上述问题，本发明的目的是克服现有的纳米切削分子动力学仿真过程的缺陷，提供一种高效的纳米切削分子动力学数值模拟方法，将对工件的整体建模转变为局部动态建模，旨在减少全计算周期内模型中的原子数，以有效提高计算效率。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种高效的纳米切削分子动力学数值模拟方法，在仿真开始时只建立工件模型的局部片段，随着刀具向前运动并足够接近当前工件边界时，将新的材料片段接入当前工件前方；同时，在仿真的中后期，对远离刀具的已切削部分原子进行删除，在整个计算周期内工件模型是动态调整的，包括下列三个步骤：
1)确定仿真参数：包括工件模型与刀具的晶格结构，工件模型的长度、高度与厚度，刀具的刃口半径、前角与后角，切削深度与速度，并确定包括原子间相互作用的势能函数和时间积分步长的分子动力学计算相关参数；设H为工件模型高度，O为刀具刃口半径对应的圆心，L为此圆心与前方工件边界的距离，H与L大于4倍切削深度；
2)工件模型的拼接：随着计算的进行，L不断减小，当L达到4倍切削深度时进行拼接；将与工件模型等高的材料片段与当前模型的边界对齐，需要保证交界处具有正常的原子排列而不出现畸变，实现原工件模型沿切削方向的延长；
3)工件模型的裁剪：设刀具刃口圆心为O，刃口半径为r，计算时保留刀具后方长度范围D内的工件模型，将该范围外的工件原子删除。
优选地刀具后方长度范围D为刀具刃口半径r的1.5倍。拼接和裁剪在计算中同步完成，实现工件模型周期性动态调整，根据待模拟的切削总路程以及局部模型长度，确定整个模拟过程所需的拼接、裁剪次数。
本发明由于采用以上技术方案，与现有技术相比具有以下优点：
(1)显著提高计算效率。纳米切削分子动力学仿真的计算效率与模型尺寸直接相关，现有技术对工件整体进行建模，导致了不必要的计算资源浪费；相比之下，本发明提出的方法在保证计算准确性的基础上，将对工件的整体建模转变为局部动态建模，有效降低了模型数据量、提高了仿真效率。
(2)接近真实的加工条件。对于同样的计算量，本发明涉及的方法能够进行更大切削深度的模拟，而这是分子动力学纳米切削仿真目前亟待解决的问题。提高切削深度能够让模型更加接近真实的加工条件，使得模拟结果对实践具有更强的指导意义。
附图说明
图1本发明涉及的纳米切削模拟方法示意图
图2局部模型尺寸示意图
图3模型拼接示意图
图4模型裁剪示意图
具体实施方式
本发明提供一种高效的纳米切削分子动力学数值模拟方法，通过对切削模型中的工件进行动态局部建模，以有效降低现有方法中的计算资源浪费；通过局部模型的拼接与裁剪，合理控制其尺寸，在保证计算准确度的前提下达到提高模拟效率的目的。
下面结合附图并通过具体实施方式，对本发明进行进一步阐述：
在传统的纳米切削分子动力学仿真中，一个完整的工件模型存在于整个计算周期内。这种计算方式的两个主要问题是：当刀具刚开始切入工件时，如图1(a)所示，只有工件右侧的材料受到刀具作用，而远端(工件左侧的灰色部分)仍保持正常状态。灰色区域并不是研究的关注点，但是其中的大量原子由于真实地占用计算资源，导致了仿真速度与效率的下降；类似地，随着刀具的运动，已经被切削过的材料部分越来越多，如图1(b)中灰色部分所示，这些材料已经远离了刀具作用区域，也不属于研究重点，但同样带来不必要的计算消耗。
本发明正是通过削弱上述两种情况来达到提高计算效率的目的。具体地，在仿真开始时只建立工件模型的局部片段。随着刀具向前运动并足够接近当前工件边界时，将新的材料片段接入当前工件前方，如图1(c)中虚线内区域所示；同时，在仿真的中后期，对远离刀具的已切削部分原子进行删除，如图1(d)中虚线内区域所示。这样，在整个计算周期内工件是被动态调整的，所包含的原子数就能够显著降低，从而提高计算效率。
上述技术方案中包含三个关键步骤：
1.确定仿真参数。包括工件材料、局部模型尺寸、切削深度与速率、刀具刃口半径、以及分子动力学计算相关参数(如原子间相互作用的势能函数、时间积分步长等)。局部模型尺寸应按照图2进行设定，其中DOC为切削深度、H为工件高度，O为刀具刃口半径对应的圆心，L为该圆心与前方工件边界的距离。由于仿真中存在切削应力场，故H与L不能过小，避免应力场受到模型边界限制造成失真。H与L大于4倍DOC可满足要求。
2.模型的拼接。随着计算的进行，图2中的L会不断减小，当该距离达到4倍切削深度时就需要进行拼接。如图3所示，将与工件模型等高的材料片段与当前模型的边界对齐，为了抑制交界处的计算失真，需要保证此处具有正常的原子排列而不出现畸变。
3.模型的裁剪。删除刀具后方已切削部分的原子可以减小数据量，加速计算。如图4所示，设刀具刃口圆心为O，刃口半径为r，计算时保留刀具后方D范围内的模型，将该范围外的工件原子删除。D应为刃口半径r的1.5倍。
应用实施例
进行单晶硅纳米切削的分子动力学模拟，并对比本发明方法与现有技术的计算时间，具体步骤为：
1.根据待模拟系统参数建立初始模型，具体如附表1所示。总切削距离为320nm，采用本发明提出的方法通过3次拼接、裁剪完成全部计算；
2.当刀具刃口半径对应的圆心与工件前方边界的距离减小至4倍切削深度(即80nm)时，进行拼接。首先按照单晶硅的晶格常数与晶胞内的原子坐标建立特定尺寸的材料片段模型，其长度与高度均为80nm，厚度与原始模型一致，再通过对准材料片段与原工件边界处的原子坐标，保证交界处硅晶格的连续性、不出现畸变；
3.在拼接的同时，删除在切削方向上距离刃口圆心后方1.5倍刃口半径以外的工件原子；
4.进行3次步骤2-3后，完成全部仿真，记录计算时间；
5.按照附表1中的参数，重新建模，并将工件长度直接设置为320nm，使用传统方法(无拼接、裁剪)再次进行仿真，记录计算时间。结果表明，对于相同的仿真条件，传统方法用时17418.7min，本发明中的方法用时12539min，是传统方法的72％。
附表1实施例中的模拟参数
Figure BDA0002056959510000041

Claims (3)

1.一种高效的纳米切削分子动力学数值模拟方法，在仿真开始时只建立工件模型的局部片段，随着刀具向前运动并足够接近当前工件边界时，将新的材料片段接入当前工件前方；同时，在仿真的中后期，对远离刀具的已切削部分原子进行删除，在整个计算周期内工件模型是动态调整的；包括下列三个步骤：
1)确定仿真参数：包括工件模型与刀具的晶格结构，工件模型的长度、高度与厚度，刀具的刃口半径、前角与后角，切削深度与速度，并确定包括原子间相互作用的势能函数和时间积分步长的分子动力学计算相关参数；设H为工件模型高度，O为刀具刃口半径对应的圆心，L为此圆心与前方工件边界的距离，H与L大于4倍切削深度；
2)工件模型的拼接：随着计算的进行，L不断减小，当L达到4倍切削深度时进行拼接；将与工件模型等高的材料片段与当前模型的边界对齐，需要保证交界处具有正常的原子排列而不出现畸变，实现原工件模型沿切削方向的延长；
3)工件模型的裁剪：设刀具刃口圆心为O，刃口半径为r，计算时保留刀具后方长度范围D内的工件模型，将该范围外的工件原子删除。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，刀具后方长度范围D为刀具刃口半径r的1.5倍。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，拼接和裁剪在计算中同步完成，实现工件模型周期性动态调整，根据待模拟的切削总路程以及局部模型长度，确定整个模拟过程所需的拼接、裁剪次数。
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