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单晶锗纳米切削过程分子动力学仿真与实验研究（英文）

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稀有金属材料与工程 2019年第12期48卷 3863-3869页

作者：罗良杨晓京昆明理工大学

为深入理解单晶锗纳米切削特性,提高纳米锗器件光学表面质量,采用三维分子动力学(MD)模拟方法研究了单点金刚石压头与单晶锗表面的接触和滑动过程。研究了压头在滑动切削过程中的材料变形、切削力、切屑堆积、表面形貌尺寸。仿真结果表... 详细信息

为深入理解单晶锗纳米切削特性,提高纳米锗器件光学表面质量,采用三维分子动力学(MD)模拟方法研究了单点金刚石压头与单晶锗表面的接触和滑动过程。研究了压头在滑动切削过程中的材料变形、切削力、切屑堆积、表面形貌尺寸。仿真结果表明,随着垂直载荷的增加,切削力、表面形貌尺寸、切屑堆积在接触过程中逐渐增加,且与切削速度无明显关联。切削过程中切削力波动的根本原因是由于单晶锗晶格破坏引起相变的产生和能量波动。为了验证仿真结果的正确性,使用纳米划痕仪对单晶锗进行了纳米切削实验。实验结果与仿真结果一致,验证了MD模型的正确性和有效性。

关键词：分子动力学单晶锗切削力垂直载荷切削速度

单晶锗纳米切削过程应力场分布的分子动力学研究

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稀有金属材料与工程 2020年第4期49卷 1144-1150页

作者：罗良杨晓京昆明理工大学云南昆明650500

采用分子动力学方法研究了材料原子的应力场分布以及不同刀具角度对应力分布的影响。采用近邻平均法计算了切削过程中不同时刻的hydrostatic应力和von Mises平均应力值。结果表明,在单晶锗的纳米切削过程中,最大平均应力集中于刀具尖端... 详细信息

采用分子动力学方法研究了材料原子的应力场分布以及不同刀具角度对应力分布的影响。采用近邻平均法计算了切削过程中不同时刻的hydrostatic应力和von Mises平均应力值。结果表明,在单晶锗的纳米切削过程中,最大平均应力集中于刀具尖端的亚表面区域,最大应力值为8.6 GPa。在切屑中也有很高的应力值,在4.2 GPa左右。此外,刀具的角度也对应力场的分布有很大影响,绘制了不同刀具角度的切削力曲线。发现,刀具前角对切削力有显著影响。刀具采用负前角切削时切削力最大,而刀具后角对切削力没有影响,这与宏观切削理论相一致。

关键词：单晶锗应力分布分子动力学刀具角度

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纳米尺度接触过程分子动力学模拟

农业机械学报 2012年第11期43卷 250-255页

作者：杨晓京詹胜鹏迟毅林昆明理工大学现代农业工程学院昆明650500 昆明理工大学机电工程学院昆明650500

为研究纳米尺度接触过程力学行为,以刚性半球体接触压入单晶硅表面为分析对象,建立分子动力学模型并求解仿真,得到纳米尺度接触过程中微观接触区域的状态变化和接触作用力变化规律。由于粘附力作用,两表面尚未完全接触时,基体原子发生... 详细信息

为研究纳米尺度接触过程力学行为,以刚性半球体接触压入单晶硅表面为分析对象,建立分子动力学模型并求解仿真,得到纳米尺度接触过程中微观接触区域的状态变化和接触作用力变化规律。由于粘附力作用,两表面尚未完全接触时,基体原子发生纳米尺度接触所特有的"突跳"现象。随着接触深度增加,基体原子位错和滑移带相继出现,接触区域的硅材料由初期弹性变形转向后期塑性变形。在脱离接触过程中,基体材料有部分弹性恢复,接触完全脱离时,球面仍粘附着部分硅原子。然后利用原子力显微镜,对应分子动力学模拟时的参数条件和接触过程,进行实验对比分析,实验结果表明:分子动力学模拟不但对纳米尺度接触过程力学行为的分析是可行和有效的,而且可以观察到实验无法反映的微观细节。

关键词：纳米尺度接触分子动力学模拟原子力显微镜

基于纳米划痕仪的单晶锗多次刻划力学特性实验

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中国有色金属学报 2019年第10期29卷 2341-2347页

作者：罗良杨晓京昆明理工大学机电工程学院

为深入理解单晶锗的纳米切削特性,提高纳米锗器件的光学表面质量,使用纳米划痕仪对单晶锗进行多次刻划实验研究,并测得其在刻划过程中的切削力、摩擦因数。利用扫描电子显微镜(SEM)观测沟槽的显微形貌及切屑堆积情况,使用原子力显微镜(A... 详细信息

为深入理解单晶锗的纳米切削特性,提高纳米锗器件的光学表面质量,使用纳米划痕仪对单晶锗进行多次刻划实验研究,并测得其在刻划过程中的切削力、摩擦因数。利用扫描电子显微镜(SEM)观测沟槽的显微形貌及切屑堆积情况,使用原子力显微镜(AFM)检测其多次刻划过程中的弹性模量及表面粗糙度。结果表明:随着刻划次数的增多,切削力、摩擦因数,表面粗糙度均在逐渐增大,而弹性模量在逐渐变小,这些现象产生的根本原因是在刻划过程中位错的产生及单晶锗晶格遭到破坏引起的能量波动。此外,随着刻划次数的增加,沟槽两侧的切屑堆积越来越明显。

关键词：单晶锗多次刻划切削力弹性模量

球形压头与单晶铝材料纳米接触过程的多尺度分析

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物理学报 2013年第18期62卷 79-86页

作者：杨晓京方聪聪昆明理工大学机电工程学院昆明650500 昆明理工大学现代农业工程学院昆明650500

采用准连续介质多尺度理论及排斥力场函数,建立了刚性球形压头与单晶铝材料表面纳米接触与脱离过程的跨尺度分析模型,得到载荷-位移响应曲线、原子变化状态图及位移云纹图.研究了接触与脱离过程中单晶铝材料微观变形时原子的排列情况以... 详细信息

采用准连续介质多尺度理论及排斥力场函数,建立了刚性球形压头与单晶铝材料表面纳米接触与脱离过程的跨尺度分析模型,得到载荷-位移响应曲线、原子变化状态图及位移云纹图.研究了接触与脱离过程中单晶铝材料微观变形时原子的排列情况以及压头形状对位错的形核和发射产生的影响.从微观角度分析了接触变形机理.结果表明,随着接触深度的增加,球形压头下部两侧的原子受力方向不断变化,使得载荷-位移响应曲线出现不同于方形压头的阶梯状.由于压头形状的影响,压头两侧的密排原子面实现部分滑移形成了肖克利不完全位错.脱离过程中,原子紧贴压头向上移动,实现部分弹性恢复,残余位移为0.3 nm,非常接近单晶铝单位位错的伯格斯矢量的模0.285 nm.

关键词：准连续介质法球形压头单晶铝材料位错

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基于纳米划痕的单晶锗脆塑转变实验研究

稀有金属材料与工程 2018年第10期47卷 3228-3232页

作者：杨晓京赵彪罗良昆明理工大学云南昆明650500

为了考察单晶锗的脆塑转变,利用纳米压痕仪分别对单晶锗(100)、(110)和(111)晶面进行纳米划痕实验,并利用原子力显微镜和扫描电子显微镜对划痕形貌进行观察。通过对划痕深度-距离曲线及划痕形貌进行分析,获取各晶面脆塑转变临界载荷和... 详细信息

为了考察单晶锗的脆塑转变,利用纳米压痕仪分别对单晶锗(100)、(110)和(111)晶面进行纳米划痕实验,并利用原子力显微镜和扫描电子显微镜对划痕形貌进行观察。通过对划痕深度-距离曲线及划痕形貌进行分析,获取各晶面脆塑转变临界载荷和临界深度。结果表明,单晶锗具有强烈的各向异性,(100)、(110)和(111)晶面脆塑转变临界载荷分别为37.6、30.5和32.4mN,临界深度分别为594.7、512.5和536.6nm。(100)晶面因其具有最小硬度、最深脆塑转变深度,在划痕过程中塑性去除最多,脆塑转变最晚,而且随着划痕速度的增加,脆塑转变临界深度和临界载荷也相应增加。最后恒定载荷划痕实验验证了脆塑转变临界载荷和临界深度的正确性。

关键词：单晶锗各向异性划痕实验脆塑转变临界深度

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压电超精密定位台的动态迟滞建模研究

仪器仪表学报 2017年第10期38卷 2492-2499页

作者：杨晓京李庭树刘浩昆明理工大学机电工程学院昆明650500

为了提高压电超精密定位台的建模精度,采用Backlash-Like迟滞非线性模型来描述压电超精密定位台的迟滞特性,采用基于遗传因子的递推最小二乘法来辨识Backlash-Like模型的参数,并结合压电超精密定位台的动态特性,建立了压电超精密定位台... 详细信息

为了提高压电超精密定位台的建模精度,采用Backlash-Like迟滞非线性模型来描述压电超精密定位台的迟滞特性,采用基于遗传因子的递推最小二乘法来辨识Backlash-Like模型的参数,并结合压电超精密定位台的动态特性,建立了压电超精密定位台的二阶动态迟滞模型。通过实验得到,对比Backlash-Like模型,动态迟滞模型在频率为30和40 Hz时,最大输出位移误差由1.21和1.39μm下降到0.32和0.44μm,且最大相对误差分别仅为3.5%和4.4%,平均位移误差由0.53和0.76μm下降到0.17和0.21μm,平均相对误差由1.93%和3.38%下降到1.11%和1.37%。实验结果验证了提出的动态迟滞模型,既能减小了因压电超精密定位台的动态特性而引起的系统误差,又能很好地模拟其迟滞特性与动态特性,并且避免了不同频率下的模型参数反复辨识问题,提高了压电超精密定位台在高频、快速、大行程定位中的精度。该方法简单且适应性强,易于工程实现。

关键词：压电超精密定位台 Backlash-Like迟滞模型遗传因子的递推最小二乘法动态模型

单晶锗纳米切削特性广义质点动力学方法与实验研究

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稀有金属 2019年第12期43卷 1325-1331页

作者：罗良杨晓京耿瑞文昆明理工大学机电工程学院

为提高纳米级锗器件的制造精度,提出一种广义质点动力学(GP)分析方法,该方法是一种多尺度分析方法,能够在保证材料晶体结构不变的前提下,大量节省计算时间,扩大模拟规模,使可模拟的材料区域增加几个量级。建立了单晶锗广义质点动力学纳... 详细信息

为提高纳米级锗器件的制造精度,提出一种广义质点动力学(GP)分析方法,该方法是一种多尺度分析方法,能够在保证材料晶体结构不变的前提下,大量节省计算时间,扩大模拟规模,使可模拟的材料区域增加几个量级。建立了单晶锗广义质点动力学纳米切削模型,修正了单晶锗相互作用势能函数,绘制了在不同载荷下的切削力-刻划距离曲线图,分析了在切削过程中切削力及切屑堆积状态的变化情况。使用纳米划痕仪对单晶锗进行了纳米刻划实验,得到当载荷在10~30 mN变化时,沟槽的深度变化范围为1.12~1.88 nm,宽度变化范围为4.6~8.6μm,实验结果与广义质点动力学得到的结果趋势相一致,证明了该方法的有效性。与分子动力学方法相比,在对体系较大的模型应用这种方法能够在保证计算精度的前提下节省大量计算时间。

关键词：多尺度分析广义质点动力学单晶锗切削力

纳米尺度单晶铜材料表面切削特性分子动力学模拟

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中国机械工程 2016年第6期27卷 721-726页

作者：李勇杨晓京昆明理工大学昆明650500

采用分子动力学模拟方法研究单晶铜材料表面纳米切削特性。通过对单晶铜纳米切削过程进行分子动力学建模、计算与分析,研究了不同切削速度及切削厚度对单晶铜材料表面纳米切削过程中微观接触区域原子状态和切削力变化的影响规律。研究... 详细信息

采用分子动力学模拟方法研究单晶铜材料表面纳米切削特性。通过对单晶铜纳米切削过程进行分子动力学建模、计算与分析,研究了不同切削速度及切削厚度对单晶铜材料表面纳米切削过程中微观接触区域原子状态和切削力变化的影响规律。研究结果发现:在单晶铜表面纳米切削过程中,切削速度越高,切屑堆积体积越大,切屑里原子的排列越紧密,位错缺陷分布区域越大;在同种切削速度下,切削厚度越大,在刀具前方堆积的切屑体积越大,位错缺陷越多。不同切削速度及切削厚度下,切削力曲线均在切削初期呈上升趋势,达到稳定切削状态后围绕稳定值进行波动,但在切削初期,切削速度及切削厚度越大,切削力上升幅度越大;达到稳定切削状态后,切削速度、切削厚度越大,切削力越大。

关键词：单晶铜切削性能纳米切削分子动力学