2017年6月14日 周三

Optical glass like BK7 has been widely used in defferent optical system due to its supreme optical charateristics. But the hard and brittle nature of optical glass has brought great difficulty in machining. Thus studying the ductile-brittle behavior under different circumstances is the fundemental of the grinding, cutting and machining microstructure on the optical glass.

In order to thoroughly study the ductile and brittle behavior of optical glass, many experiments have been conducted in the past few decades, such as single grit scratch tests, multi-grit scratch tests and indentational tests. Among them, the single grit scratch test can provide insight to the ductile-brittle transition mechanism. Many single grit scratch tests are designed with linearly increasing depth or load, in order to obtain the result of the ductile-brittle tansition critical condition. For example…

Though the scratch test can provide observable outcomes of the behavior of brittle material, it’s hardly enough to explain the accumulative nature of grinding. When the surface is ground, multiple abrasive grains scratch the surface simultaneusly or successively. And the scratch path of different grains are probably interferential or even overlapped. xx and xx has combine the experiment method and SPH numerical simulation to study the MRR(material removal rate) in multi-grain scratch test when compared with single grit scratch test. The changing of MRR are mainly contributed by the interference of multiple cracks along the scratch.

Apart from the brittle interference effect of close range multiple grains scratch, the interferencing effect of the stress and the residual stress during scratch tests has hardly been investigated before. According to the Rankine theory, failure like cracks will initiate when the maximum principal stress at any point execeed a critical value. This theory also works on brittle materials and it illustrates the relationship between the ductile-brittle transition and the actual stress distribution. When two grains scratch through the surface at the same time or simultaneously in very close range, the stress they generate can have great influence on the scratch profile of each other especially when the cutting depth is near the brittle-ductile transition critical condition. This effect will greatly change the critical condition widely used in the machining of brittle materials. Moreover, the ascertaining of this effect can also contribute to the machining of micro and sub-micro structures in the ductile mode, as it can help design the machining tool and the processing parameters.

 

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2017年6月13日 周二

Analysis of grit interference mechanisms for the double scratching of monocrystalline silicon carbide by coupling the FEM and SPH
Nian Duan, Yiqing Yu, Wenshan Wang, Xipeng Xu⁎

这一篇文章的introduction的思路对于新论文还是有很大帮助的,但是必须要强调两点区别:

  1. 应力场的分析 而非  裂纹、脆性状态下的材料去除率分析
  2. 加工工艺是针对微结构加工的 而非  磨削

因此引言的开头,虽然也可以用类似的总起,但是其重点不是磨削,将陈述的中心转为研究材料的行为,或者是微结构加工。比如:

光学玻璃因其优越的光学特性被广泛应用在不同的光学系统中,但是光学玻璃的硬脆性本质给其表面加工带来了很大的困难。为了获得无缺陷的表面,了解光学玻璃在不同加工状况下的材料行为,是光学玻璃的磨削、切削和微结构加工的基础。为此,研究人员进行了大量的研究通过实验和模拟的方法试图揭示光学玻璃在刻划和印压实验过程中的材料去除机理。

其中,单点金刚石磨削实验或单磨粒刻划实验是研究硬脆性材料行为和力学性能的重要手段。如图为单点金刚石磨削实验的典型结果。。。。。。。。。。。。。。。

虽然,单点金刚石磨削实验可以用来研究像光学玻璃这样的硬脆性材料的材料特性和行为,但磨削过程并非单点金刚石刻划表面的结果的简单叠加。因此磨削过程的累加效应,也是解释磨削机理的重要组成部分,研究人员也在不同的尺度,对这种累加效应进行了研究。如、、、。但以上的研究主要集中在脆性裂纹相互作用对磨削过程材料去除率的影响上,实际上多个磨粒先后或同时作用于表面时,除了脆性裂纹的相互干涉外,还有其他更重要的相互影响的因素。在微纳尺度进行表面微结构加工时,不同于磨削加工,要获得无缺陷的微纳结构就必须另加工过程完全发生在塑性域阶段。如下图所示,如果要进行微结构的切削加工,切削的真实切削厚度必须要小于某个临界值才能获得无缺陷的结构。从更根据Rakine准则,必须让

接下来的部分需要参考一下应力场相关、刻划实验相关的研究,重点介绍我们的研究中心:应力场。这部分又需要进行很多的文献查阅,先对上文进行翻译。

Optical glass like BK7 has been widely used in defferent optical system due to its supreme optical charateristics. But the hard and brittle nature of optical glass has brought great difficulty in machining. Thus studying the behavior under different circumstances is the fundemental of grinding, cutting and machining microstructure on the optical glass.

2017年6月12日 周一

Analysis of grit interference mechanisms for the double scratching of monocrystalline silicon carbide by coupling the FEM and SPH
Nian Duan, Yiqing Yu, Wenshan Wang, Xipeng Xu⁎ Institute

When grinding with an abrasive tool, the workpiece surfaces are
produced by the accumulated cutting action of numerous abrasive grits protruding from the grinding tool surface [1].

介绍了磨削的本质:多磨粒累加的切削行为,关键词在于多个磨粒、累加、切削

Many studies [4,5,7– 9,11,13,15,18] on scratching using a single abrasive grit have been performed using experiments and simulations. To explore the mechan- ism of the entire grinding process, it is important to gain insight into the mechanism of single grain grinding, which is often referred to as scratching with a single abrasive grit in the literature. 

紧接展开讲针对磨削的研究的研究方法:实验模拟两种途径,实验是单磨粒磨削/刻划实验

The scratching process is a series of integrated vertical pressing
processes along the scratching direction. The formation of the crack system in the indentation process is similar to that in the scratching process [4–7]. However, tangential motion is introduced in the scratching process, which leads to a different deformation and fracture behaviour of the material. 

先讲刻划过程的本质是竖直方向的下压作用,但是在水平方向则和印压过程有很大区别,这里虽然很好地解释了刻划实验,但是解释的方式可能是不准确的,比如没有证据支持“竖直方向就是下压”这样的论点,因为材料流动造成的影响,其应力场和印压过程差异巨大。

However, the combined action of multiple abrasive grains is not a
simple superposition of the single abrasive particle scratching action, and research on the removal mechanism of the two abrasive particles is an important step to obtain the final surface topography from the comprehensive effect of multiple grains. The interference scratching duration is extremely short; thus, the experiment is primarily used to deduce the interference process based on the results. Accordingly, the limitation of the experimental method at the micro- and nano-scales confines the research to the interference scratching of the material removal mechanism. 

讲述了磨削中的累加效应并非简单的叠加,而是会有磨粒之间的相互作用的。

文章的研究对象就是磨削,引言的思路从磨削总起,然后在单点金刚石磨削和多磨粒磨削实验方面广泛引用,解释磨削基础研究的基本方法和基本思路,即单磨粒-(累加效应)多磨粒相互作用

而我们写作的对象是微结构加工,和磨削既有相似也有不同,相似在于同样要研究多磨粒作用时的相互作用,不同在于加工时不能出现脆性行为,因此还需要考虑相互作用对于脆塑转变的影响。

根据Rankine法则,只要在刻划过程中,某一处的最大主应力超过一个特定的拉应力值,就会产生裂纹,因此应力场应当成为研究的重点。而多磨粒刻划实验的应力场相对于单磨粒刻划实验时的变化,就是本研究的研究目标。

2017年5月24日 星期三

查阅相关文献中关于校验刻划实验和模拟结果的方法

1、非应力的比对校验

A model for stresses, crack generation and fracture toughness
calculation in scratched TiN-coated steel surfaces

用abaqus模拟,能模拟出镀层的应力场但是没有裂纹。将拉应力极值出现位置和实验结果比对。

3. With increasing load a new stress-field with a tetra-armed
star shape grows around the contact area. At the tail arms,
stress concentrations are amplified at a distance of 1–2
times the contact length from the edge of the contact at
the border of the scratch groove. The magnitude of these
stress concentrations is of the same level as within the
contact area.
4. The stress concentrations at the tail arms travel with increasing
load to the plane of symmetry and increase in
magnitude considerably faster than within the contact
area, and become the dominating tensile stress as the
contact conditions change to ploughing mode.
5. After about 1mm of sliding in the scratch test, a peak
area of maximum first principal stress is generated in
the back-tail region at the border of the scratch groove,
creating the first visible angular cracks in the coating with
this material-coating combination.

参考:abaqus、应力场分析、与实验校验的模式

2、心不死的JH2论文检索

A numerical model for optical glass cutting based
on SPH method

K9玻璃,JH2本构,2d模型,SPH方法(要继续看???)特点是虽然能看到裂纹产生但是分子会乱飞,和有限元完全不同,类似于md的效果。应力分布很乱。

如果要选这个本构和sph,以后可以参考这一篇进行复现。

K9的JH2本构可以追溯到以下两篇文章:

(甚至于tensile strength也在其中)

Implementation and Validation of the Johnson-Holmquist Ceramic Material Model in LS-Dyna

Silica Float Glass [11]

最早的出处,也是此文中参数的来源,引文11:

1995 High Strain Rate Properties and Constitutive Modeling of Glass

作者正是J和H两人,文中所写的材料是浮法玻璃。

文中明确写道,改材料的tensile strength为0.015Gpa,15Mpa;而强度则为0.30Gpa,300Mpa,这个参数和顾等人的论文中的3.5Gpa相去甚远。

3、在球形压头印压和刻划(后者更重要)方面的深水水域

On the Appropriate Use of Representative Stress Quantities
at Correlation of Spherical Contact Problems

ON THE NUMERICS AND CORRELATION OF SCRATCH TESTING

以上3篇全部讲了弹塑性材料刻划模拟中的一个参数,由Johnson提出的(j-c、j-h、and here again)一个参数

TIM图片20170524232410

并且分区讨论了这个参数对于应力场分布、弹塑性行为的影响。

讨论的用意在于进行“CORRELATION”。

4、明日的任务是继续找相关的实验、方法验证模拟模型的正确性

2017年5月22日 星期一

abaqus 应力场分析

1、统一的图例/标尺

Screenshot from 2017-05-22 14-13-43.png

如图所是右侧一个图例是之前设置好后截图的效果,和中间设置效果对比可知,只要每次在图例的设置中设置好等值线的数量:BASIC-CONTOUR INTERVALS-DISCRETE-24;然后在LIMITS上下限的选项单改上下限为2000、-3000,全部勾选上show location,apply后的效果和右侧截图相同。

注意,超出上限的部分全部以灰色显示,低于下限的全部以黑色显示,因此必须对所有要加入对比的结果进行预先的调查,找到一个适合的上下限,再进行设置。

图例的统一是至关重要的,他将不同模型的不同时刻的应力等值线的值进行了统一,同一种颜色的等值线就是对应唯一的应力数值,该等值线所包围的区域越大,说明应力越大。

2、寻找合适的截面获得信息

首先,将刻划的位移量和刻划深度以整数对应起来是非常便利的设置方法。比如在以下模型中,U3位移为0.01mm的时候,刻划深度U2为0.0005mm,因此0.008mm位移时,深度为0.0004mm。

注意,选取z=0.01的截面进行分析,可以获得设计实验时想获得的“500nm深刻划应力场”的数据,但是相比而言,z=0.008截面经历过刻划前、中和后3个阶段的状态,更能反映刻划过程的应力场变化。因此,这两个面上获取的信息都非常有用。另外,还有Y0Z平面也需要进行仔细分析。

注意2:关于不同刻划深度时应力场分布的大小,实际上是有很多不同之处的。考虑2um的压头从浅到深刻划了500nm;再考虑一个压头的钝圆半径,一边刻划,钝圆半径一边从0增大到500nm,最终刻划深度当然也是500nm。这两种情况下的应力场分布极其不同,后者再深度增加的事后,钝圆半径也在增大,其应力场近似于等比缩放(小球压入深度浅,大球压入深度大,但只要保持压入深度和半径的比率相同,应力场的分布也只是近似放大而已,没有空间分布上的大差异),而前者则是从一小个球面的压入一直过渡到一个半球,压头接触部分的形状不停地发生改变。(如果无法理解这段文字可以去死了)因此研究不同下压深度的应力场分布差异,也是有很大意义的。

3、以动态的方式迅速读懂结果

选好截面,设置好统一标尺以后,可以进行动态的结果输出,输出为avi后可以随时对视频截图。同时,动态的结果更能展示变化的趋势。

5um_0008surf

很明显地,右侧先刻划产生的应力场因受到第二次刻划时候的应力场影响,应力大小都同时降低了。(即等值线包围的区域缩小了)

4、简单分析结果

  • 先后和同时刻划

比如下图为先后刻划0.008截面的应力场:

Screenshot from 2017-05-22 15-20-21Screenshot from 2017-05-22 15-23-13

不管是4um的还是5um的顺序刻划,其中央部分的应力都是+500以下。但是将5um间距的同时刻划和5um的先后刻划结果进行比对,结果却有很大不同:

Screenshot from 2017-05-22 15-20-21Screenshot from 2017-05-22 15-26-17

无法描述应力的分布是否有很大不同,但是至少拉应力都普遍更大。

2017年5月10日

今天的目标是

  • 试着enriched区域进行xfem模拟,看中位裂纹是否产生和扩展
  • 将hard contact改成softened contact,检查应力状态
  • 建一个mm级别模型和brinell的公式进行校核,排除是本构问题还是尺寸效应/接触问题

1、建立如图的一个区域,

Screenshot from 2017-05-10 23-51-12.png图1

结果是中位裂纹萌生了,但是没有扩展现象,扩展条件有问题?针对这个现象有一个想法,就是VCCT的应用最好让裂纹在实体的边缘开始产生,这样才能判断哪里是裂纹尖端的单元。参考:11.4.3中的VCCT tips

For two-dimensional models with contact pairs involving higher-order underlying elements, the initially unbonded portion must extend over complete element faces. In other words, the crack tip in a two-dimensional, higher-order model must start at a corner node on the quadratic slave surfaces. The crack tip must not start at a midside node.

2、softened contact的机理和应用,参考37.1.2中的softened contact,以下两个图可以清晰地解释其机制。

图2ab

  • 硬接触就是指,两个接触面之间距离到0之前无压力,到达0之后可有任意大的压力
  • 软接触是指,距离靠近到C0时(未到0,实际未接触)可以开始有压力,到实际接触时压力到达P0,并且可以穿过从面,压力继续上升

实际结果就是主面能嵌入从面中,考虑到圆弧面在小位移下接触面积的增加是二次的,这个的影响会有,但相比3个数量级的印压力大小仍有很大差异。模拟结果基本符合这个猜想。印压的支反力仍然达到10N以上。

3、本构的理解

fig_3

图3

  • E弹性模量指单位变形量下的应力值,越大则材料越硬
  • sigmay是屈服强度,越大则越难产生塑性变形

在典型的印压实验中,接触应力会快速地到达sigmay,在开始屈服以后,应力的大小将不会增加得太快。更清晰的描述是,对于单个单元,压缩量超过屈服时的应变后,产生应变所需的应力增量小了,其实应该说,硬化系数就是这之中起作用的关键,因为alpha=0.01,因此塑性变形所需应力增量更小。

但是宏观的表现一定为:接触应力迅速上升至屈服应力。

从这一层面看,我们的模拟结果应力大是没有问题的,比如钢的屈服强度是300Mpa,那mises应力必然会快速到达300,然后再慢慢往上升。

4、针对同学提出,可能是参数单位有问题,或者是尺寸效应的问题,我尝试用brinell硬度推倒的一个力和球型压头下压深度的关系对模拟进行校核。

https://en.wikipedia.org/wiki/Brinell_scale

使用wiki附上的材料参数,glass的HB为1500,根据公式Screenshot from 2017-05-11 00-08-29.png

图4

F=46196*R*sigma

  • sigma为下压深度
  • R为压头
  • F为所需下压力

则旧模型中2um压头压入0.5um所需的压力为46mN,而若用1mm压头压入0.5mm则需要23kN的压力。

建模进行校核结果分别为:

Screenshot from 2017-05-11 00-17-50Screenshot from 2017-05-11 00-18-15

12N和9.9kN,后者比较符合计算结果,前者差3个量级以上,说明该理论可能更适合mm级别,在um级别不太符合,而材料参数没有很大问题。

下一步是校核模拟结果和实际um级别印压实验的力。

2017年5月9日 周二

1、自己从零重建了模型

  • 增加了金刚石的材料属性
  • 把压头改成了shell,划分网格,定义材料

换的原因时因为觉得应力过大是接触问题,把压头当成解析刚体的结果,改成具有弹性的金刚石材料应该能缓解问题。这是接触力学里面的知识,在计算的时候,必须考虑两个接触面的弹性,而两个表面变形以后,接触面积也会发生改变。

  • 接触仍然时surface to surface,hard contact和frictionless
  • 加载方式是位移加载,因为不知道设体力是否不正确,而点加载会出错

2、建模的过程有很多小问题

  • 一开始的parts应该选用2D deformable,shell
  • section里面新建setion用SOLID,HOMOGENEOUS,就只需要设材料,且能对应2Dshell进行材料定义
  • sets可以一开始建,但是后续assembly里面会在set前加上parts的名字

3、结果

  • 第一个job test1是-0.5N体力加载的结果,应力e-6量级,太小
  • 第二个job是位移下压500nm,应力和以前没什么区别,非常大

接下来的任务是改hard contact等contact properties;参考下面的网页,试试排错

 

4、daily read

http://imechanica.org/node/7960

https://en.wikipedia.org/wiki/Brinell_scale

借用里面的公式,可以反求出压力F和下压深度d之间的关系:

压头钝圆半径在2um时(0.002)

F/d=47.7

在下压0.0005mm的深度时,1550HB硬度的玻璃,其下压力应大约是0.023N(23mN)

因此模拟还是有很大问题,这个计算结果和实验结果量级相当,模拟要继续改进。