Al/SiC复合粉体模压成形的多粒子有限元模拟

摘要

本论文采用多粒子有限元法(Multi-Particle Finite Element Method，MPFEM)与离散单元法(Discrete Element Method，DEM)的耦合数值模拟Al/SiC复合粉体的模压成形。首先，通过已建立的二元颗粒DEM堆积模型，生成二元Al/SiC复合颗粒的各种初始堆积结构，同时对这些初始堆积的结构进行表征。然后，将DEM数值生成的各种初始堆积结构作为输入导入到有限元模型中，通过对复合粉体中单个粒子的网格划分、各本构方程的选取、边界条件建立及加载方式的设定实现二元Al/SiC复合粉体的成形致密化。 本研究的重点在于分别从宏观连续尺度和微观颗粒尺度对Al/SiC复合粉末成形过程中压坯的宏观性能及各微观性能进行表征，并对成形致密化的机理进行分析。研究结果表明，不同的二元Al/SiC复合颗粒的初始堆积结构对应不同的成形致密化行为。二元复合颗粒的尺寸比、成分、摩擦系数、材料参数和初始堆积结构对宏观的致密化过程以及生坯的性质有明显的影响。对于二元有序初始堆积，在压制的不同阶段，压坯内部二元颗粒各自对应的应力分布和形变分别相同。对于随机初始堆积结构，致密化过程中压坯内部应力链的传递是无序的，且主要取决于相接触的SiC颗粒间的力学行为;同时，压坯内部的应力、应变分布不均，且主要集中在增强相SiC颗粒和颗粒间接触大变形部位。压坯致密化过程中的孔隙填充主要由基体相Al颗粒的变形来实现，且Al颗粒的形变是不规则的。MPFEM与DEM相耦合的多尺度数值模拟结果对未来各向异性晶态颗粒材料和高性能无定形态颗粒材料以及颗粒复合材料的制备具有重要的参考价值。

目录

声明

摘要

1．1金属基复合材料

1．2 MMCs的制备方法

1．3 SiC颗粒增强Al基复合材料成形过程的研究现状

1．3．1物理实验研究进展

1．3．2数值模拟方法

1．4课题研究内容与创新点

1．5课题研究目的与意义

2．1有限单元法

2．1．1非线性有限单元法

2．1．2有限元软件MSC Marc

2．2模型建立与设置

2．2．1初始堆积模型的导入

2．2．2二元初始堆积模型

2．2．3模型设置

第3章复合粉体成形的宏观性能表征

3．1粉体压制时压坯密度的变化规律

3．2二元有序Al／SiC复合粉体的压制成形

3．3二元随机Al／SiC复合粉体的压制成形

3．3．1粉体成形经验方程

3．3．2二元颗粒材料参数与摩擦

3．3．3二元随机初始堆积结构

3．4本章小结

第4章复合粉体成形的微观性能表征

4．1二元Al／SiC有序初始堆积结构压坯的微观性能表征

4．2二元Al／SiC随机初始堆积压坯的微观性能表征

4．3随机初始堆积结构压坯的微观性能表征

4．4成形过程中Al／SiC复合压坯内局部应变能分析

4．5本章小结

第5章结论

参考文献

致谢