离散单元法在金属粉末高速压制成形过程中的应用研究

摘要

离散单元法是研究非连续体力学行为的有效数值方法，特别适合求解大变形和不连续结构问题，已广泛应用于工程领域。粉末高速压制成形技术具有压制时间短、压坯密度高、压坯密度分布均匀等特点，由于加工过程中粉末的致密化机理尚不明确，制约了该项技术发展和推广。本论文首次将离散单元法应用于粉末高速压制成形过程和粉末传热过程的研究，根据金属粉末原料及高速压制工艺的特点，基于弹塑性力学和散度空间理论，建立了描述粉末高速压制过程的数学模型，并分析了粉体的变形行为、粉体中应力波传播和热传导规律。
　　首先，介绍了离散单元法韵发展现状及高速压制技术的工艺特点。根据粉末压制中的颗粒粒度分布服从高斯正态分布的特点，应用Box Muller变换得到了满足粉末试样粒径分布条件的颗粒生成方法。对粉末离散单元法的单元搜索方法、计算方法、边界条件进行了分析。考虑到粉末在成形过程中会先后发生加工硬化、加工软化及塑性变形，建立了描述颗粒高应变率、塑性变形的离散元接触模型。
　　然后，模拟了满足实验条件的松装系统在高速加载条件下的三维成形过程，结果表明压制初期粉末重排及孔隙填充是使压坯密度急剧增加的主要因素，后期粉末变形会使压坯密度进一步提高。所得成型坯密度分布与实验结果吻合，验证了所建立模型的有效性。本文对高速压制粉体内外摩擦系数、压坯高径比、单双向压制条件进行了对比实验，发现颗粒间摩擦系数对压坯最终密度有主要影响，颗粒与模腔间摩擦系数及高径比主要影响压坯密度的分布。
　　其次，利用散度定理对粉末系统的应力公式进行了离散化处理，建立了压制过程中的应力统计公式，得到了实际实验中难以测得的粉体内部不同高度层的应力波波形，及粉末高速压制过程中应力波的传播过程。分析了铁基及铜基粉末在不同摩擦系数下的应力波传播情况，得出粉末高速压制成形坯的高致密化是应力波反复作用的结果，粉体内部存在明显的应力迟豫现象，加卸载波形呈锯齿状的弹性波形，随着粉体被压实应力传播速度加快。
　　最后，分析了粉末压坯内部的高温蔓延及温度分布规律。根据温度场与接触力作用场的相似性，将颗粒看作独立热阻，整个粉体看作热阻与热流构成的温度传导网，建立了离散单元热传导模型，热流通过颗粒接触面传导。研究了粉体内颗粒排列、粒径分布、压坯密度对成形坯温度的影响。数值结果表明，粉末压坯的热传导过程与内部的颗粒架构有关，在高速压制过程中粉体内部确实存在着可短时耗散的高温积聚。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 离散单元法的研究现状

1．2．1 颗粒离散单元法的发展

1．2．2 在粉末冶金领域中的应用

1．2．3 与其他方法结合及计算软件方面的发展

1．3 粉末高速压制技术的研究现状

1．3．1 高速压制技术的工艺特点

1．3．2 影响成形过程的因素

1．3．3 粉末压制成形的已有模型

1．4 本文的主要内容

第二章 颗粒离散元法的基本原理

2．1 离散单元法的计算流程

2．2 颗粒生成方法

2．2．1 颗粒排斥法

2．2．2 半径扩大法

2．3 单元搜索方法

2．3．1 直接映射检索法

2．3．2 分类检索法

2．4 运动学方程及其求解

2．4．1 无阻尼项的速度Verlet算法

2．4．2 加入人工阻尼项的差分算法

2．5 球形颗粒的接触模型

2．5．1 Cundall接触模型

2．5．2 Hertz接触模型

2．5．3 JKR(Johnson-Kendall-Roberts)接触模型

2．5．4 SADD的三阶段接触模型

2．5．5 滑动模型及Milldlin-Deresiewicz模型

2．6 计算参数的选取

2．7 结论

第三章 基于离散单元法的粉末高速压制成形过程模型

3．1 基本假设

3．2 模型建立

3．2．1 二维模型

3．2．2 三维模型

3．3 粉末粘弹性本构关系

3．4 粉末弹塑性本构关系

3．4．1 应力应变曲线

3．4．2 弹塑性接触模型

3．5 结论

第四章 粉末高速压制密度分布情况模拟

4．1 颗粒的松装状态

4．2 边界条件

4．3 求解算法

4．4 二维数值模拟结果

4．4．1 高径比对密度分布的影响

4．4．2 摩擦系数对密度分布的影响

4．5 三维数值模拟结果

4．5．1 高径比对密度分布的影响

4．5．2 摩擦系数对密度分布的影响

4．5．3 其他压制条件对密度分布的影响

4．6 结论

第五章 粉末高速压制应力波传播情况模拟

5．1 引言

5．2 应力波统计方法

5．3 模拟参数

5．4 应力波传播情况分析

5．4．1 粉体中不同高度层的应力波传播情况

5．4．2 粉末材质对应力波传播情况的影响

5．4．3 不同摩擦系数对应力波传播情况的影响

5．5 结论

第六章 基于离散单元法的粉末热传导过程模拟

6．1 引言

6．2 颗粒间的热传导方程

6．2．1 热传导方程的离散形式

6．2．2 内热源

6．2．3 时间步长的选取

6．3 粉末温度场的数值模拟

6．4 粉末高速压制过程中的热量分布

6．5 结论

第七章 主要结论与展望

7．1 本文的主要结论

7．2 今后工作的展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参与的主要科研项目

攻读学位期间主要的研究成果