铁基粉末颗粒压制的细观模拟研究

摘要

粉末压制是粉末成型的重要工序，这个工序的成形坯块虽不是最终的产品，但其性能却极大的影响着制品的最终性能。依靠传统的实验法无法实时的反映粉末颗粒在压制过程中的运动和变形规律，而基于连续体的有限元法和基于离散体的离散元法进行粉坯压制的研究，虽取得了很多成果，但前者忽略了粉末的颗粒性，后者忽略了颗粒的可变形性。因此上述方法都无法准确的考察粉末压制过程中颗粒的变形情况。本文采用离散体的有限元法，对粉末压制过程进行数值模拟，从细观的角度分析粉末压制过程中的相关特性。
　　 本文系统分析了粉末冶金技术的发展历程及国内外对粉末压制过程数值模拟的研究现状，并结合粉末冶金产品生产的主要工艺提出了课题研究主要内容。将粉末压制成型基础理论与Marc有限元软件相结合，成功的对粉末压制过程中的颗粒变形问题进行了求解。为了给模拟分析提供必要的摩擦参数以及密度变化的参照标准，还研制了摩擦系数测定装置，对不同性质粉末材料在不同压制力下的摩擦系数变化情况进行了交叉实验，得到了不同配方材料的摩擦系数变化情况、不同压制力下的摩擦系数曲线及密度关系。
　　 根据粉末压制特性建立了三种离散体的有限元模型:二维对排颗粒模型、三维球形颗粒模型以及二维随机排布颗粒模型，结合Marc软件对粉末压坯模型进行了材料属性定义、接触模型定义以及边界条件定义，并对关键参数进行设置，成功解决了在计算求解中出现的不收敛情况，取得了良好的模拟结果。在此基础上探讨了模壁摩擦、压制方式以及压制力对颗粒的流动性、应变情况以及压坯的密度影响。模拟结果表明，压制过程中粉末颗粒的变形主要经历了三个阶段:小变形的初级阶段、应变剧烈的主变形阶段和应变趋于稳定阶段。模壁摩擦是导致压坯内外流动量分布不均的主要原因，同时对于模壁区域颗粒的变形和密度有显著影响，采用有效的润滑措施或者采用双向压制可有效降低内外颗粒的流动差异。增加压坯压制力能在一定范围内提高压坯密度，实际应用中应根据不同的粉末特性选择适当的压制力，才能有效的提高粉末冶金压制的生产效率和生产质量。

目录

声明

摘要

致谢

第一章 绪论

1．1 粉末冶金技术简介

1．1．1 粉末冶金工艺

1．1．2 近代粉末冶金发展

1．2 课题研究背景

1．3 粉末压制成形模拟研究现状

1．3．1 连续体力学方法

1．3．2 非连续介质力学方法

1．3．3 孔洞模型法和无网格法

1．4 本文研究的意义及主要内容

1．4．1 本文研究的意义

1．4．2 主要研究内容

1．5 本章小结

第二章 粉末压制过程模拟基础理论

2．1 有限元法简介

2．2 弹塑性理论基础

2．2．1 屈服准则

2．2．2 塑性流动法则

2．2．3 硬化定律

2．3 弹塑性有限元法

2．3．1 弹塑性力学基本方程

2．3．2 弹塑性力学问题的边界条件

2．4 Marc关于弹塑性问题的求解

2．5 本章小结

第三章 粉末压制过程中摩擦特性分析

3．1 界面摩擦系数测量方法

3．2 摩擦系数测量

3．2．1 实验装置

3．2．2 实验方法

3．3 摩擦系数测定与分析

3．3．1 不同性质粉末材料摩擦系数实验

3．3．2 不同压制力下的摩擦实验

3．3．3 压制力与密度的关系

3．4 本章小结

第四章 离散体有限元模型建立及相关设置

4．1 离散体有限元模型的选择及建立

4．1．1 二维颗粒模型的建立

4．1．2 三维球形颗粒模型的建立

4．1．3 随机排布颗粒模型建立

4．2 材料属性的确定

4．3 MSC／Marc中接触问题的求解

4．3．1 接触问题的数值计算方法

4．3．2 接触单元的定义

4．3．3 接触约束

4．3．4 接触摩擦分析

4．4 粉末压制模型计算中关键参数的确定

4．4．1 关于力载荷的施加问题

4．4．2 关于求解的数值方法以及收敛准则

4．4．3 接触表中接触检测设置

4．5 本章小结

第五章 数值模拟计算及结果分析

5．1 颗粒流动规律分析

5．1．1 不同位置颗粒的流动性分析

5．1．2 模壁摩擦对颗粒流动性的影响

5．1．3 压制方式对颗粒流动性的影响

5．1．4 压制力对颗粒流动性的影响

5．2 颗粒应变情况分析

5．2．1 不同位置颗粒的应变分析

5．2．2 不同压制力下的颗粒应变分析

5．3 压坯密度情况分析

5．3．1 不同模壁摩擦条件下的密度分析

5．3．2 不同压制力下的密度情况

5．4 三维模型压制分析

5．5 随机模型压制分析

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文