基于离散单元法的粉末高速压制流动过程模拟.pdf

第39卷 第12期 稀有金属材料与工程 V01．39，No．12 2010盔 ANDENGINEERING ‘December2010 12月 RAREMETALMATER认LS 基于离散单元法的粉末高速压制流动过程模拟 郑洲顺1，王 爽1，郑珊1，曲选辉2 (1．中南大学，湖南长沙410083) (2．北京科技大学，北京100083) 摘要：将离散单元法应用于粉末高速压制流动过程研究，以模拟粉体流动的非连续特性。将粉末视为粘弹性的离散颗粒， 推导了力与位移表达的粉末高速压制粘弹性本构关系，建立了粉末高速压制成形颗粒流动的离散单元法控制方程；并给出 了该模型的动态松弛法求解过程。基于离散单元法求解器PFC软件，对粉末高速压制成形过程颗粒流动情况及密度分布 进行了模拟，模拟结果与实验结果较吻合。分析了阻尼系数变化对求解过程的敛散性和压坯密度分布的影响。 关键词：高速压制成型；离散单元法；接触力；粘弹性模型 中图法分类号：0316；TFl24．36文献标识码：A 文章编号：1002—185X(2010)12-2132．05 高速压制技术(highvelocity 热能和应变能。瞬时热能使颗粒表面形成高温剪切带 compaction，HVC)是 蔓延，颗粒发生塑性变形甚至局部焊合，最终达到高 2001年瑞典Hoganas公司提出的一项新技术，其压制 速度比传统压制方法快500～1000倍，具有压制时间度致密化【4j。 短、压坯密度高、压坯密度分布均匀等特点。目前， 1．1基本假设及运动方程 国内外对粉末高速压制过程的研究多是将粉末视为连 1)将粉末颗粒视为半径分布在一定范围的球形离 续体【l翔，与粉末实际的非连续特性不符。离散单元法 散单元； element 2)假设单元为刚体，压制过程中单元本身形状不 (discrete method，DEM)是研究非连续体力学 行为的有效数值方法，其基本原理是将求解区域划分 变，粉末颗粒的变形用离散单元间的相互叠加近似表 成有限个小的块体单元，使求解域成为一个块体堆积 示，即通过单元间叠合量度量颗粒的变形程度； 域。根据牛顿第二定律建立单个离散体的运动方程， 3)单元之间的相互作用采用粘弹性模型建立，作 单元间相互作用力根据接触本构关系确定，然后用差 用力由接触本构关系确定； 分法按时步迭代求解单元在t+At时刻的空问位置， 钔根据高速压制时间短、弹性后效低的特点，假 继而得到整个区域新的平衡状态。离散单元法主要应 定在单个时间步内速度和加速度是平均不变的，且扰 用于岩体力学，特别适合求解大变形和不连续结构问 动不能立即传播到相邻单元，即单元所受合力由单元 题【3】。本文将离散单元法引入粉末高速压制成形流动 间相互作用力唯一确定： 过程的研究，以更好地描述粉体流动的非连续特性， 5)颗粒运动是颗粒自重、外载荷、颗粒间的相互 为进一步深入研究粉末高速压制成形流动过程开辟新 作用力在介质中传播的结果，单个离散体的基本运动 途径。 方程根据牛顿第二定律由该单元所受不平衡力和不平 衡力矩确定。 1 模型建立 6)当应力波传递到粉末压坯与底座的接触面时， 粉末高速压制成形过程如图1所示。上模冲与粉 由于介